组成图示
示意图生成中
传感器类型
压电(QCM)生物传感器
检测对象
铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa, P. aeruginosa）及其全基因组 DNA（P. aeruginosa genomic DNA）；样品基质：医院污水处理厂污水（sewage）和细菌培养物提取 DNA
检测原理
该传感器基于电极分离压电传感器（ESPS）的压电换能机制。AT-cut 石英晶体在高频电场下产生谐振，其频率受表面附着质量影响，遵循 Sauerbrey 方程：ΔF = -F0^2/A × (ρq μq)^-1/2 × Δm。纳米 TiO2 或 TiO2–PEG 杂化膜涂覆于晶体表面，ss-DNA 探针通过 5′端磷酸基团与膜表面羟基形成磷酸酯键而固定。样品中 P. aeruginosa 的全基因组 DNA 经提取、变性后，在 Tris–HCl/NaCl 缓冲液中与探针互补杂交。杂交使晶体表面质量增加，谐振频率下降；在 10^-1–10^-3 g/L 范围内，ΔF 与目标 DNA 浓度呈线性关系。纳米膜和 PEG 杂化膜增大比表面积与结合位点，从而提高结合量和灵敏度。
检测灵敏度
LOD: 10^-4 g l^-1；线性范围: 10^-1–10^-3 g l^-1；ΔF = 8.1972 × 10^4 C_DNA + 18.4879 (A), R = 0.9687；ΔF = 9.5165 × 10^3 C_DNA + 30.7298 (B), R = 0.9238
效应效果
传感器对非互补 DNA 具有较好选择性：0.2 g/L 牛胸腺 ss-DNA 仅引起 12 Hz 频率偏移，可忽略。膜在中性和碱性溶液中稳定，酸性溶液中 2–3 h 后部分剥离，加热会加速侵蚀；实验后可用 1.0 mol/L HCl 去除膜。用 TE 缓冲液洗脱 7 次后频率值基本稳定，表明可重复使用。与普通 TiO2 薄膜相比，纳米 TiO2 膜结合量由 15±5 Hz 增至 80±10 Hz，灵敏度由 1 μg/mL 提高到 0.35 μg/mL；纳米 TiO2–PEG 杂化膜结合量为 120±5 Hz，灵敏度达 0.1 μg/mL，结合量提高 5–7 倍、灵敏度提高约 10 倍。检测时间少于 3 h，杂交约 1 h。作者认为该方法可用于污水中 P. aeruginosa 的快速筛查，并有望推广至其他环境毒素和细菌检测。
传感器的构成
- 基底/换能器：9 MHz AT-cut 石英晶体（PQC）与银电极（Ag electrode），构成电极分离压电传感器（ESPS），一面银电极去除后暴露于溶液
- 纳米材料修饰层：纳米 TiO2 膜（nano-TiO2 membrane）或纳米 TiO2–聚乙二醇杂化膜（nano-TiO2–PEG hybrid membrane），溶胶–凝胶法合成，提供高比表面积和表面羟基结合位点
- 识别元件：铜绿假单胞菌单链 DNA 探针（P. aeruginosa ss-DNA probe），通过 5′端磷酸基团与膜表面羟基形成磷酸酯键固定
- 目标物：铜绿假单胞菌全基因组 DNA（P. aeruginosa genomic DNA），经提取和变性后作为液相杂交目标
- 信号标记物：无外源标记，目标 ss-DNA 与探针杂交后在晶体表面增加质量
- 检测介质：10 mM Tris–HCl + 0.05 M NaCl 缓冲液（pH 7.9），维持 DNA 杂交条件
- 信号读出：TTL 电路与频率计（frequency counter），由 PC 控制并记录频率变化 ΔF
中文摘要
本文报道了一种用于检测铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa, P. aeruginosa）的 DNA 生物传感器。该传感器以电极分离压电传感器（ESPS）为换能器，在其表面分别修饰纳米 TiO2 膜和纳米 TiO2–聚乙二醇（PEG）杂化膜。两种敏感膜均采用溶胶–凝胶法合成，并通过单链 DNA（ss-DNA）探针固定于膜表面。检测时，将样品中 P. aeruginosa 的全基因组 DNA 变性为 ss-DNA，在液相中与探针发生互补杂交，利用石英晶体谐振频率变化实现定量检测。紫外光谱用于鉴定提取 DNA 的纯度和浓度，红外光谱和扫描电镜用于表征膜的性质。结果表明，纳米技术和杂化膜显著提高了传感器性能，检测时间少于 3 h，线性范围为 10^-1–10^-3 g/L，检出限为 10^-4 g/L。
英文摘要
A DNA biosensor for detection of Pseudomonas aeruginosa was set up based on the modification of two membranes (nano-TiO(2) and nano-TiO(2)-polyethylene glycol hybrid membrane) to the ESPS surface. These two membrane materials were synthesized by sol-gel method. The detection was accomplished by modifying ss-DNA on the sensitive membrane and then hybridizing with their complementary strands from the P. aeruginosa in liquid phase. UV spectrum was used to identify the purity and concentration of extracted DNA; IR spectrum and SEM were used to characterize the properties of the membrane. The detection was highly improved by adoption of nanotechnology and hybrid membrane. Less than 3h was sufficient. The detection linear range was from 10(-1) to 10(-3)gl(-1) and the limit of detection was 10(-4)gl(-1).