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
目标单链DNA（target ssDNA，18-mer寡核苷酸），样品基质为PBS缓冲液（10 mM PBS, pH 7.0）
检测原理
该传感器在金电极上依次构建半胱胺、Au NPs、半胱氨酸、羧基CdS NPs和氨基捕获ssDNA。Au NPs与CdS NPs增大电极有效表面积并提供更多结合位点，提高探针DNA固定量。目标ssDNA与捕获ssDNA杂交形成dsDNA后，Co(phen)2^2+作为电化学杂交指示剂与dsDNA发生嵌入/静电结合，在DPV中产生氧化还原峰。ssDNA对Co(phen)2^2+结合较弱，dsDNA结合较强，因此杂交后DPV峰电流增加。目标DNA浓度越高，形成dsDNA越多，结合Co(phen)2^2+越多，ΔIp越大。Au/CdS纳米颗粒通过增加探针固定量实现信号放大；CV/EIS则利用[Fe(CN)6]3-/4-监测界面阻抗变化。
检测灵敏度
LOD: 2.0×10−11 M；线性范围: 2.0×10−10–1.0×10−8 M；回归方程: y=1.1417x+0.9058；相关系数: r=0.9765（结论中为r=0.9758）
效应效果
该传感器对互补目标DNA选择性良好，单碱基错配序列信号明显降低，非互补序列信号与仅探针DNA相近。杂交时间约40 min时DPV响应最大。Au NPs与CdS NPs协同增加探针DNA固定量，使灵敏度较仅CdS NPs修饰电极提高约7倍；LOD为2.0×10−11 M，与文献中贵金属、半导体纳米颗粒、碳纳米管等DNA传感器相当或更优，虽低于PCR等仪器方法，但具有简单、低成本、灵敏度满足要求等优点。三个独立制备传感器在8.024×10−11 M目标DNA下响应电流为5.00×10−7 A、4.95×10−7 A和5.32×10−7 A，变异系数3.93%；电极经10次CV循环无显著变化，4°C PBS保存至少1周仍保留约95%初始响应。
传感器的构成
- 基底/换能器电极：金电极(Au electrode)，经抛光和电化学活化，作为导电基底与换能器
- 自组装单分子层：半胱胺(cysteamine)在金表面自组装，通过硫醇-金键结合，提供正电荷氨基用于静电吸附Au NPs
- 纳米材料修饰层：胶体金纳米颗粒(Au NPs，约24 nm，柠檬酸三钠保护)，通过静电作用吸附在半胱胺层上，增大电极有效表面积并增强电子转移
- 自组装单分子层：半胱氨酸(cysteine)在金纳米颗粒表面自组装，提供氨基用于共价连接CdS NPs
- 纳米材料修饰层：羧基功能化CdS纳米颗粒(CdS NPs，约20 nm，巯基乙酸封端)，通过EDC/NHS与半胱氨酸氨基共价连接，提供结合位点固定探针DNA
- 识别元件：氨基标记捕获单链DNA(capture ssDNA，5′-NH2-CGA-CAG-TGG-TCC-CAA-AGA-3′)，通过EDC/NHS共价固定在CdS NPs表面，用于与目标DNA杂交
- 信号标记物：[Co(phen)2(Cl)(H2O)]Cl·2H2O（Co(phen)2^2+）作为电化学杂交指示剂，嵌入双链DNA(dsDNA)产生DPV信号
中文摘要
本文报道将胶体金纳米颗粒(Au NPs)和羧基功能化硫化镉纳米颗粒(CdS NPs)固定于金电极表面，构建一种新型电化学DNA生物传感器。Au NPs和CdS NPs具有良好的生物相容性和导电性，可提供较大比表面积及充足结合位点，用于固定探针DNA。循环伏安法(CV)和电化学阻抗谱(EIS)用于监测电极制备全过程；差分脉冲伏安法(DPV)以[Co(phen)2(Cl)(H2O)]Cl·2H2O为电化学杂交指示剂，表征DNA固定与杂交过程。该传感器可在2.0×10−10至1.0×10−8 mol/L范围内对目标DNA进行定量，检出限为2.0×10−11 mol/L（3σ）。此外，传感器对DNA序列检测表现出良好的重复性和稳定性。
英文摘要
In this article, colloidal gold nanoparticles (Au NPs) and carboxyl group-functionalized CdS Nanoparticles (CdS NPs) were immobilized on the Au electrode surface to fabricate a novel electrochemical DNA biosensor. Both Au NPs and CdS NPs, well known to be good biocompatible and conductive materials, could provide larger surface area and sufficient amount of binding points for DNA immobilization. Cyclic voltammetry (CV) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) experiments were performed to follow the whole electrode fabrication process. DNA immobilization and hybridization were characterized with differential pulse voltammetry (DPV) by using [Co(phen)(2)(Cl)(H(2)O)]Cl.2H(2)O as an electrochemical hybridization indicator. With this approach, the target DNA could be quantified at a linear range from 2.0x10(-10) to 1.0x10(-8) M, with a detection limit of 2.0x10(-11) M by 3sigma. In addition, the biosensor exhibited a good repeatability and stability for the determination of DNA sequences.