ACS Nano: 壓電電子學效應增強氧化鋅納米線生物傳感器的DNA無標記檢測

葉嵐山 7年前 (2016-08-17) 4228瀏覽

【引語】

2016年8月1日，ACS Nano期刊官網在線發表了題為”Piezotronic Effect Enhanced Lable-Free Detection of DNA Using a Schottky-Contacted ZnO Nanowire Biosensor”的文章。該文章的第一作者是國家納米科學中心的Xiaotao Cao，通訊作者為國家納米科學中心（中國科學院北京納米能源與系統研究所）的王中林教授、曹霞教授以及北京科技大學的王寧副教授。

這篇文章的主要工作是發展了基于肖特基接觸（Schottky-contacted）氧化鋅納米線（nanowire）傳感器，實現了對人類免疫缺陷病毒1型（HIV-1）基因的靈敏、原位選擇性無標記檢測。

【成果簡介】

隨著核酸檢測越來越廣泛地應用于基因分型技術、臨床診斷以及生物醫學研究等領域，傳統的光學檢測和實時PCR技術因其自身有著檢測成本高等缺點，已經不能夠滿足器件對于高性價比、高速度以及高靈敏度的檢測要求。相比之下，以一維納米材料為代表的無標記檢測器件因為擁有超高的比表面積而為實現低成本、簡單有效的DNA檢測提供了可能性。基于半導體納米線的場效應管就是這樣一種極具應用潛力的器件。其中，通過改變金屬-半導體界面的肖特基勢磊壘（SBH）可以調控器件性能的肖特基接觸型傳感器是研究人員的關注熱點。

氧化鋅納米線擁有優異的半導體和壓電（piezoelectricity）性能，是制備肖特基接觸型器件的理想材料。國家納米科學中心等機構的研究人員利用施加在氧化鋅納米線上的外加應變（external strains）來產生壓電電勢（piezoelectric potential）。隨后根據壓電電子學效應（piezotronic effect），該電勢可以通過增加或降低SBH來影響連結/界面處載流子的傳輸，從而改變納米線基器件的性能。此外，通過帶負電的探針互補DNA（target cDNA）與吸附在納米線上的單鏈DNA（ssDNA）進行特異性雜交，可以實現器件選擇性檢測的功能。

【圖文導讀】

圖1：氧化鋅納米線DNA傳感器

(a) 氧化鋅納米線DNA傳感器的數碼圖像及光學顯微圖像；(b) 合成的氧化鋅納米線的掃描電鏡圖；(c) 壓電電子學效應對DNA傳感器性能影響的實驗設置示意圖；(d) 無應變或外部應變下氧化鋅納米線DNA傳感器的功能化和檢測過程。

圖2：ssDNA納米線表面固定實驗熒光發射分析

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(a) 氧化鋅納米線的熒光顯微圖像；(b) 標記有激發波長為494nm的熒光染料FAM的ssDNA在氧化鋅納米線表面功能化的熒光顯微圖像。

圖3：不同壓應變及不同探針DNA濃度條件下DNA傳感器的伏安特性曲線（偏置電壓范圍為-1.5-1.5V）

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(a) 壓應變為00%，探針cDNA濃度范圍為0到1E-7M；(b) 壓應變為-0.59%，探針cDNA濃度范圍為0到1E-7M；(c) 探針cDNA濃度為1E-10M，壓應變范圍為0到-0.59%；(d) 探針cDNA濃度為1E-7M，壓應變范圍為0到-0.59%；(e) 壓應變為00%，非探針cDNA濃度范圍為0到1E-7M；(f) 壓應變范圍為0到-0.59%并且探針cDNA濃度范圍為0到1E-7M時的輸出電流響應三維圖像（偏置電壓為5V）。

圖4：經過壓電電子學效應增強性能的氧化鋅納米線DNA傳感器

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(a) 在一定探針cDNA濃度（0, 1E?10, 1E?9, 1E?8, 1E?7 M）下，DNA傳感器對不同壓應變電流響應（絕對值）；(b) 在一定探針cDNA濃度（0, 1E?10, 1 E?9, 1 E?8, 1 E?7 M）下，DNA傳感器對不同壓應變電流響應（相對值）；(c) 在一定壓應變（00, -0.25,-0.36 , -0.45,-0.59%）下，DNA傳感器對不同探針cDNA濃度電流響應（絕對值）；(d) 在一定壓應變（00, -0.25,-0.36 , -0.45,-0.59%）下，DNA傳感器對不同探針cDNA濃度電流響應（相對值）。