组成图示
点击图片查看大图 · 依据论文自动绘制
传感器类型
电化学生物传感器
检测对象
磺胺吡啶（sulfapyridine, SPY，缓冲液）、互补DNA（complementary DNA，杂交缓冲液）、葡萄糖（glucose，水溶液/1 µM KCl背景）
检测原理
该传感器以三维叉指电极阵列为换能器，电极指间由SiO2绝缘屏障分隔，使施加电压下的探测电流主要沿屏障表面流动而非穿过溶液。屏障表面经GPTS修饰后可共价固定抗原、寡核苷酸或酶。当目标分子与表面识别元件发生免疫竞争、DNA杂交或酶-底物结合时，会改变屏障表面净电荷、双电层结构和界面电导，进而改变两电极间等效电路中的电阻RS。阻抗谱在100 Hz–500 kHz下测量并拟合，RS变化作为无标记信号。免疫检测中SPY与固定SA2-OVA竞争结合抗体As155，SPY浓度改变抗体结合量；DNA检测中互补链杂交使RS下降；葡萄糖检测中GOx/PEI多层膜对葡萄糖响应，RS随浓度线性增加。三维结构将敏感区限制在屏障表面，提高对表面生化事件的灵敏度。
检测灵敏度
免疫检测: IC50: 5.6 µg L−1；slope: −0.82；R^2 = 0.99；Max/Min: 18.8；IC50标准差: 0.32。葡萄糖检测: 线性范围: 1×10−3–1×10−2 mol/L；灵敏度: 269.2、146.5、107.6 kΩ/mol（5、7、9层）。
效应效果
三维IDEA相比同几何平面金电极IDEA对免疫反应阻抗变化更明显，说明绝缘屏障将电流约束在生物分子表面附近，提高检测能力。免疫传感器与竞争ELISA使用相同免疫试剂，IC50分别为5.6和3.72 µg/L，斜率均为−0.82，R^2均为0.99；传感器Max/Min为18.8，ELISA为13.2，IC50标准差0.32，表明检测能力与ELISA同数量级且动态范围更宽。作者称分析可在30 min内完成，比传统ELISA更快、操作更简单，可满足食品中磺胺残留国际法规要求。DNA实验中三个传感器RS相对误差小于0.8%，杂交经荧光显微镜确认；LBL数据重现性在1%以内。修饰传感器单次使用，但表面试剂可清洗复用。
传感器的构成
- 基底与换能器电极：Si/SiO2 绝缘基底（2500 nm SiO2）上溅射 230 nm 钽硅化物（TaSi2）叉指电极，1 µm Al 接触焊盘，用于阻抗测量
- 绝缘屏障：4 µm LPCVD SiO2 层经 DRIE 开窗形成电极指间屏障，使探测电流沿屏障表面流动
- 表面化学修饰层：3-(glycidoxypropyl)trimethoxysilane（GPTS）硅烷在 SiO2 表面形成环氧基，用于共价固定生物分子
- 免疫识别元件：磺酰胺抗原 SA2-OVA（SA2 偶联卵白素 OVA）固定于 GPTS 表面，用于竞争性免疫检测
- DNA识别元件：5'-氨基己基-CGAGTCATTGAGTCATCGAG-3' 寡核苷酸探针固定于 GPTS 表面，用于杂交检测
- 酶识别元件：聚乙烯亚胺（PEI）/葡萄糖氧化酶（GOx）多层膜通过层叠法（LBL）沉积，用于葡萄糖检测
- 信号标记物：无标记阻抗检测；DNA杂交链含荧光素（fluorescein）仅用于荧光显微镜验证
中文摘要
本文报道了一种用于生物传感器应用的新型三维叉指电极阵列（IDEA）换能器，其电极指之间由绝缘屏障分隔。当分子结合到换能器的化学修饰表面时，会引起两电极之间电导的显著变化。与标准平面IDEA设计相比，该三维传感器表现出明显性能提升。作者验证了该器件作为传感换能器检测免疫化学反应、酶反应以及DNA杂交事件的潜力。所构建的免疫传感器可在缓冲液中直接检测抗生素磺胺吡啶，IC50为5.6 µg/L；免疫化学测定采用竞争性配置且无需任何标记。每个修饰后的传感器为单次使用，但表面生物试剂可被清洗以便复用。采用层叠法沉积聚乙烯亚胺和葡萄糖氧化酶的结果表明，该传感器对单层及多层分子组装体也具有高效检测能力。
英文摘要
A new transducer for biosensor applications has been developed based on a three-dimensional interdigitated electrode array (IDEA) with electrode digits separated by an insulating barrier. Binding of molecules to a chemically modified surface of the transducer induces important changes in conductivity between the electrodes. Three-dimensional sensor shows considerable improvement compared with a standard planar IDEA design. The potential of the developed device as a sensor transducer to detect immunochemical and enzymatic reactions, as well as DNA hybridization events is demonstrated. The immunosensor allows direct detection of the antibiotic sulfapyridine and shows the IC(50) parameter value of 5.6 microgL(-1) in a buffer. Immunochemical determination occurs under competitive configurations and without the use of any label. Each modified sensor is of a single use. Nevertheless, biochemical reagents can be easily cleaned off the sensor surface for its reuse. Layer-by-layer method of used to deposit polyethyleneimine and glucose oxidase showed that the sensor is also highly effective for detecting single and multilayered molecular assemblies.