组成图示
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传感器类型
电化学生物传感器
检测对象
互补单链DNA（complementary ssDNA, cDNA；人p53基因外显子7单链PCR片段，p53 Exon 7 ssDNA）；样品基质：PBS缓冲液（磷酸盐缓冲液），亦在含质粒DNA、基因组DNA、非互补ssDNA的PBS中考察选择性。
检测原理
BDD为p型半导体，表面经PEI正电荷层静电固定p53 Exon7单链DNA探针。当溶液中互补ssDNA与探针杂交形成双链DNA时，界面负电荷密度增加，负电荷DNA与PEI之间发生电荷重分布，并诱导BDD空间电荷区能带弯曲减小、耗尽层变窄，使电极界面电容和阻抗下降。在5 mV小信号、10 Hz固定频率下，电荷转移可忽略，Warburg扩散阻抗和双电层电容主导；杂交后相对阻抗随时间下降，浓度越高初始吸附/杂交越快，40 min相对阻抗与log浓度在10^-20–1.0 pg/mL线性。无需标记，信号直接来自DNA杂交引起的半导体场效应与界面电容变化。
检测灵敏度
LOD: 10^-19 g mL^-1；线性范围: 10^-20–1.0 pg mL^-1；灵敏度斜率: -0.053（Z = -0.104 - 0.053 log C）；相关系数: 0.988；饱和: >1.0 pg mL^-1
效应效果
该传感器对互补ssDNA选择性明显：1.5 fg/mL cDNA引起显著阻抗下降，1.0 ng/mL非互补ssDNA响应很小；质粒DNA和基因组DNA因非特异吸附降低选择性，故用短PCR片段。BSA封闭会缓慢脱附并阻碍杂交，未用于最终检测。0.05 M NaOH变性可再生，7次循环内稳定，之后因PEI脱附下降；同电极RSD <4%，电极间RSD <9%。与Au、GC相比，BDD低背景电流和低双电层电容使响应更大；0.014、0.034 cm2电极LOD为10^-18 g/mL，0.11、0.14 cm2为10^-19 g/mL。方法无标记，40 min定量，短于放射性/光学标记法的小时至数天，适合低成本基因检测。
传感器的构成
- 基底/换能器电极：硼掺杂金刚石（BDD）薄膜电极，H终止，Si片上，低背景电流、低双电层电容，提供p型半导体场效应换能
- 聚合物修饰层：聚乙烯亚胺（PEI，线性，Mw 25000）1%溶液吸附形成约5 nm正电荷薄层，用于静电固定ssDNA并促进界面电荷重分布
- 识别元件：人p53基因外显子7单链PCR片段（ssDNA，108 bp，7F/7R扩增产物），负电荷，固定于PEI表面，与互补ssDNA杂交
- 信号标记物：无标记（label-free），无额外标记物，信号来自杂交后界面电荷与阻抗变化
- 封闭剂：牛血清白蛋白（BSA，1%）曾用于封闭非特异结合，但会缓慢脱附/置换DNA，最终定量未依赖BSA
- 测量介质/电极体系：PBS缓冲液（pH 7.4，KH2PO4、Na2HPO4、KCl、NaCl）；Ag/AgCl参比电极、Pt辅助电极、电化学工作站CHI660C进行10 Hz交流阻抗
中文摘要
本文报道了一种基于硼掺杂金刚石（BDD）电极的电化学生物传感器，采用交流阻抗法根据DNA杂交事件区分不同基因序列。将BDD电极浸入1%聚乙烯亚胺（PEI）溶液，使其表面吸附一层带正电荷的PEI薄膜，再利用静电作用固定人p53基因外显子7的带负电荷单链PCR片段。在磷酸盐缓冲液（PBS）中先进行交流阻抗测量，再暴露于单链DNA（ssDNA）。当电极表面固定的ssDNA与溶液中的ssDNA完全互补时，测得阻抗显著下降。在固定频率10 Hz下，互补DNA可检测至10^-19 g/mL；较高浓度DNA杂交更快，浓度高于1.0 pg/mL时趋于饱和。与非互补DNA相比，响应明显更低。结果表明，该方法可在固定频率下无需额外标记直接检测目标DNA。
英文摘要
An electrochemical biosensor using a boron-doped diamond (BDD) electrode is described for differentiating between gene sequences according to DNA hybridization events using an ac impedimetric approach. BDD electrodes were dipped into a 1% solution of polyethylenimine (PEI) to adsorb a thin layer of positively charged PEI on the surface of BDD, then PEI-modified BDD electrodes were used to immobilize negatively charged single-stranded PCR fragments from Exon 7 of human p53 gene. Alternating current impedimetric measurements were first performed on these systems in phosphate buffered saline (PBS) and then upon exposure to single-stranded DNA (ssDNA). When the ssDNA-immobilized BDD electrode and solution ssDNA were completely complementary, a large drop in impedance was measured. Complementary DNA could be clearly detected at concentrations down to 10 (-19) g mL (-1) at a fixed frequency (10 Hz). Higher concentrations of DNA gave faster hybridization with saturation occurring at levels above 1.0 pg mL (-1.) Responses were much lower upon exposure to noncDNA, even at higher concentrations. The results show it is possible to directly detect target DNA at a fixed frequency and without additional labeling.