组成图示
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传感器类型
微流控生物传感器
检测对象
单链 DNA 靶标（ssDNA target，t-DNA1/t-DNA2/t-DNA3）；样品基质为 PBS/SSC 缓冲液（10 mM PBS + 100 mM NaCl 或 4×SSC），并含 [Fe(CN)6]3-/4- 电活性电解质。
检测原理
金工作电极表面通过巯基自组装固定 30-mer ssDNA 探针，并用 MCH 封闭裸露金面。加入互补 ssDNA 靶标后发生杂交，使电极界面负电荷密度增加，排斥电解质中的 [Fe(CN)6]3-/4- 可逆红ox couple，阻碍其向电极表面电子转移，EIS 中电荷转移电阻 Rct 增大。微流控反应纳米腔的顶壁形成反射边界，使电活性物种扩散受限，扩散电阻 Rd 也随杂交事件增加。采用受限扩散等效电路拟合 Nyquist 谱，ΔRct 和 ΔRd 与靶标浓度呈半对数关系，从而实现无标记、基于阻抗的 DNA 杂交检测。
检测灵敏度
LOD: 3.8 nM（受限扩散电阻）；LOD: 4.7 nM（电荷转移电阻）；斜率: 25497.0 ± 70.3 Ω（Rct-w 对 log[ssDNA]）；斜率: 11355.0 ± 72.6 Ω（Rd 对 log[ssDNA]）
效应效果
宏观电极与微流控芯片均显示互补靶标引起的 ΔRct 明显高于非互补序列，证明探针-靶标特异性；非互补序列平均交叉反应率为 13%（20 min 孵育）。微流控芯片含 3×3 阵列、25 nL 反应腔，可并行检测三种 ssDNA 探针/靶标。EIS 拟合中 Rct-w 的变异系数为 31%，受限扩散电阻 Rd 的变异系数为 7%。作者认为该器件具有低成本、高通量、低样本量、快速反应和多标记分析优势，并可能用于碱基错配检测；同时指出低信噪比、高背景信号和稳定性不足可能限制灵敏度。
传感器的构成
- 基底/换能器电极：SiO2 基底上 DC 溅射/电子束蒸发图案化 Au 工作电极与 Au 对电极、Pt 参考电极；Au 提供巯基自组装界面，Pt 提供稳定参考电位。
- 微流控结构：PDMS 微通道（高 100 μm、宽 500 μm）封装形成 25 nL 反应纳米腔；提供低样本量并引入受限扩散边界。
- 识别元件：5'-HS-(CH2)6- 修饰的 30-mer ssDNA 探针（ssDNA1/2/3）自组装于 Au 工作电极；通过碱基互补识别靶标 ssDNA。
- 封闭剂：6-巯基-1-己醇（MCH）自组装封闭裸露 Au 表面；降低非特异性结合。
- 电活性探针/信号介质：2.5 mM [Fe(CN)6]3-/2.5 mM [Fe(CN)6]4- 可逆红ox couple（PBS/NaCl 中）；其电子转移阻抗反映界面杂交事件。
- 参比/对电极：微流控芯片中 Pt 参考电极与 Au 对电极；宏观验证中 Ag/AgCl 参比与 Pt 线对电极；构成三电极 EIS 测量。
中文摘要
微流控装置中的 DNA 杂交检测可减少样品用量、缩短处理时间，并便于与其他测量集成。然而，随着器件尺寸缩小和复杂度增加，信噪比下降，灵敏度受到限制。器件微型化会在微尺度引入比宏观尺度影响更显著的特性与现象。本文将受限扩散模型应用于微型化生物芯片的纳升级反应腔，以准确表征 DNA 杂交事件对电荷转移电阻和扩散电阻变化的贡献，并证明这些效应在该尺度下的电化学阻抗谱（EIS）分析中起重要作用。所构建的高功能微流控生物传感器可选择性检测单链 DNA（ssDNA）靶标，计算检出限为 3.8 nM，与靶标孵育 20 min 后的交叉反应率为 13%。该新传感方法可进一步建模和测试，以阐明微型化器件中的扩散行为并提升生物传感器性能。
英文摘要
DNA hybridization detection in microfluidic devices can reduce sample volumes, processing times, and can be integrated with other measurements. However, as device footprints decrease and their complexity increase, the signal-to-noise ratio in these systems also decreases and the sensitivity is thereby compromised. Device miniaturization produces distinct properties and phenomena with greater influence at the micro-scale than at the macro-scale. Here, a diffusion-restriction model was applied to a miniaturized biochip nanovolume reactor to accurately characterize DNA hybridization events that contribute to shifts in both charge transfer resistance and diffusional resistance. These effects are shown to play a significant role in electrochemical impedance spectroscopy (EIS) analyses at these length scales. Our highly functional microfluidic biosensor enables the detection of ssDNA targets selectively, with a calculated detection limit of 3.8 nM, and cross-reactivity of 13% following 20 min incubation with the target. This new biosensing approach can be further modeled and tested elucidating diffusion behavior in miniaturized devices and improving the performance of biosensors.