组成图示
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传感器类型
压电(QCM)生物传感器
检测对象
大肠杆菌（E. coli）uidA基因PCR产物；样品基质：饮用水/环境水
检测原理
该传感器以9 MHz AT-cut压电石英晶体（PQC）为换能器，基于Sauerbrey效应：表面质量增加引起共振频率下降。TiO2薄膜提供光催化表面，在380 nm紫外光下将AgNO3光还原为纳米银，形成高比表面金属层，提高链霉亲和素负载并激活其生物素结合活性。生物素化DNA探针通过生物素-链霉亲和素作用固定于表面。样品中E. coli的uidA基因经PCR扩增后，在流动系统中经100 ℃热变性，单链PCR产物与探针杂交形成双链，使电极表面质量增加，频率下降。PCR扩增提供核酸信号放大，频率变化与PCR产物浓度对数呈线性关系，从而实现低水平E. coli检测。
检测灵敏度
LOD: 0.4 ng/L（PCR产物，相当于8个E. coli细胞）；线性范围: 0.0048–4800 μg/L；灵敏度斜率: 21（-ΔF = 84 + 21 log C）；r = 0.9856
效应效果
传感器对PCR空白、幽门螺杆菌Hop D基因（0.001 mg/mL）、PET32a质粒基因（0.001 mg/mL）和牛胸腺DNA（0.01 mg/mL）等潜在干扰物无显著干扰，频率变化小于10 Hz，表明对E. coli uidA基因PCR产物具有良好选择性。检测重复性RSD为9.8%（n=5），互补ssDNA固定重复性为7.8%（n=5），略差于普通PQC的4.2%。电极可用1 mM HCl处理30 s再生。相比未修饰PQC可稳定检测23个E. coli细胞，本传感器检出限为8个细胞，灵敏度提高近3倍。方法无需24–48 h微生物培养，适合饮用水应急监测；按WHO 100 mL零E. coli要求，至少需处理800 mL水样以检测单个细胞。
传感器的构成
- 基底/换能器：9 MHz AT-cut压电石英晶体（PQC），双面镀金（Au），提供压电换能、电极导电与频率读出基础。
- 绝缘/光催化层：TiO2薄膜（Degussa P25，约0.15 μm），滴涂后100 ℃干燥、450 ℃烧结，形成半导体绝缘层并作为纳米Ag光沉积基底。
- 纳米金属修饰层：纳米银（nano-Ag），在10^-2 mol/L AgNO3（10% v/v甲醇）中380 nm UV照射20 min原位光沉积，增大活性面积并激活链霉亲和素。
- 识别/固定元件：链霉亲和素（neutravidin，1 mg/mL），吸附于nano-Ag/TiO2/PQC表面，通过生物素-链霉亲和素作用固定DNA探针。
- 探针层：生物素化单链DNA探针（biotinylated ssDNA probe，15 μg/mL），靶向E. coli uidA基因PCR产物，经生物素端结合链霉亲和素。
- 目标/杂交物：E. coli uidA基因PCR产物（166 bp片段），经在线热变性后与探针杂交。
- 信号读出：振荡电路与频率计（Heathkit IM-4120）监测PQC共振频率变化；流动分析系统（热/冷盘管）实现PCR产物在线变性与杂交。
中文摘要
为满足世界卫生组织对100 mL饮用水中零大肠杆菌的要求，作者开发了一种基于TiO2涂层压电石英晶体（PQC）电极光沉积纳米银（nano-Ag）的新方法，用于制备高灵敏PQC/DNA生物传感器。纳米银涂层使互补DNA结合信号增强3.3倍，其作用机制包括：第一，纳米银显著增加电极活性表面积和链霉亲和素堆积密度，使最大链霉亲和素负载达到普通电极的1.8倍；第二，链霉亲和素与新生纳米银表面发生化学相互作用，功能活性增强，链霉亲和素与生物素化DNA探针的结合比由1.00:1.76提高到1.00:3.01；第三，更强的结合提高了生物素化探针的稳定性，并促进其与互补DNA杂交。在优化流动分析、在线PCR产物变性和杂交条件下，传感器对PCR产物的检出限为0.4 ng/L，相当于8个大肠杆菌细胞；据此至少需采集800 mL水样，才能检测100 mL饮用水中单个大肠杆菌细胞。
英文摘要
To meet the requirement of World Health Organization for zero tolerance of E. coli cell in 100mL drinking water, a new procedure based on photodeposition of nano-Ag at TiO(2)-coated piezoelectric quartz crystal (PQC) electrode was developed to fabricate a highly sensitive PQC/DNA biosensor. Enhancement of 3.3 times for binding of complementary DNA has been shown and attributed to the following effects arising from the nano-Ag coating. First, a large increase in the active surface area and packing density of neutravidin enhances the maximum neutravidin load to 1.8 times of a normal electrode. Second, the functional activity of neutravidin is enhanced by chemical interaction with nano-Ag to give rise to an increase in the binding ratio between neutravidin and biotinylated DNA probe from 1.00:1.76 to 1.00:3.01. Third, the stronger binding leads to a higher stability of the biotinylated DNA probes bound and increase in hybridization with the complementary DNA. Under the optimized conditions for flow analysis with online PCR product denaturing and hybridization, a detection limit of eight E. coli cells are obtained which require sampling at least 800mL water to detect a single E. coli cell in 100mL water.