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
目标 DNA（target DNA，互补寡核苷酸）；样品基质：TE 杂交/检测缓冲液（pH 8.5，10 mM Tris–HCl、1.0 mM EDTA、0.10 M NaCl）或 PBS（pH 7.4）
检测原理
肽核酸（PNA）捕获探针共价固定于 ITO 电极。目标 DNA 与 PNA 杂交形成 PNA-DNA 双链，改变电极表面结构并降低静电干扰。随后 PIND-Ru 线型嵌入剂选择性嵌入双链，萘二酰亚胺（ND）插入碱基对之间，两端带正电 Ru(bpy)2Cl+ 与磷酸骨架形成离子对，增强结合并固定于表面。PIND-Ru 的 Ru2+/Ru3+ 中心在约 0.63 V 发生可逆电子转移，伏安峰电流与表面双链量成正比。在含 Tris-HCl 的 TE 缓冲液中，PIND-Ru 进一步电催化氧化胺，在 0.65 V 产生稳态安培电流；催化电流随目标 DNA 浓度增加而增大，实现信号放大。
检测灵敏度
安培 LOD: 1.5 pM；线性范围: 2.0 pM–1.0 nM；最低检测量: 3.0 attomoles；伏安 LOD: 0.10 nM；动态范围: up to 50 nM
效应效果
该传感器利用中性 PNA 骨架降低静电干扰，提高信噪比与杂交特异性。PIND-Ru 对双链 DNA 的结合常数 Ka 为 4.0×10^7 M，较 ND 提高约 10^2 倍；在含 Tris-HCl 介质中催化电流较对照增强约 10^3 倍。PIND-Ru 氧化还原稳定，多次循环伏安后变化小。安培检测在 2.0 pM 和 1.0 nM 的 RSD 分别为 18% 和 10%。100 pM 下，互补、单碱基错配和双碱基错配目标 DNA 的电流增量分别为 0.88、0.12 和 0.030 µA，错配判别良好。作者认为其可用于低成本、便携的电化学分子诊断、即时检测与现场应用。
传感器的构成
- 基底/换能器电极：ITO 玻璃工作电极（indium tin oxide, ITO），提供导电表面并用于电化学信号读出
- 硅烷化醛基修饰层：trimethyloxysilane aldehyde 处理 ITO 形成醛基，用于共价固定 PNA 捕获探针
- 封闭剂：butylamine 封闭未反应醛基，降低非特异结合
- 识别元件：amine-terminated peptide nucleic acid (PNA) capture probe (CP)，序列 NH2-AAC CAC ACA ACC TAC TAC CTC A，与目标 DNA 杂交
- 信号标记物：PIND-Ru threading intercalator（PIND 与 Ru(bpy)2Cl 配合物），选择性嵌入 PNA-DNA 双链，提供可逆 Ru2+/Ru3+ 氧化还原信号
- 电催化底物/电子供体：Tris–HCl（TE buffer 中 10 mM），作为胺底物被 PIND-Ru 催化氧化，放大安培电流
- 支持电解质：TE buffer（pH 8.5，10 mM Tris–HCl、1.0 mM EDTA、0.10 M NaCl）或 PBS（pH 7.4），维持杂交与检测环境
中文摘要
本报告描述一种基于肽核酸（PNA）捕获探针修饰的氧化铟锡（ITO）电极的电化学生物传感器，用于检测DNA。杂交后，引入线型嵌入剂N,N′-双[(3-丙基)咪唑]-1,4,5,8-萘二酰亚胺（PIND）与Ru(bpy)2Cl形成的咪唑配合物（PIND-Ru，bpy=2,2′-联吡啶）。PIND-Ru选择性嵌入双链DNA（ds-DNA）并被固定在传感器表面。伏安测试显示其具有高度稳定且可逆的电化学氧化/还原过程，峰电流可直接用于DNA定量。当在含胺介质（如Tris–HCl缓冲液）中检测时，由于[Ru(bpy)2Cl]氧化还原基团的电催化活性，伏安响应显著改善，伏安和安培灵敏度明显提高。样品溶液中仅含3.0阿托摩尔DNA时即可观察到电催化电流。
英文摘要
An electrochemical biosensor for the detection of DNA based a peptide nucleic acid (PNA) capture probe (CP) modified indium tin oxide electrode (ITO) is described in this report. After hybridization, a threading intercalator, N,N'-bis[(3-propyl)-imidazole]-1,4,5,8-naphthalene diimide (PIND) imidazole complexed with Ru(bpy)(2)Cl (PIND-Ru, bpy=2,2'-bipyridine), was introduced to the biosensor. PIND-Ru selectively intercalated to double-stranded DNA (ds-DNA) and became immobilized on the biosensor surface. Voltammetric tests showed highly stable and reversible electrochemical oxidation/reduction processes and the peak currents can directly be utilized for DNA quantification. When the tests were conducted in an amine-containing medium, Tris-HCl buffer for example, a remarkable improvement in the voltammetric response and noticeable enhancements of voltammetric and amperometric sensitivities were observed due to the electrocatalytic activity of the [Ru(bpy)(2)Cl] redox moieties. Electrocatalytic current was observed when as little as 3.0attomoles of DNA was present in the sample solution.