注：文末有研究团队简介 及本文科研思路分析

尽管基于电化学生物传感器的文章很多，但是对于传感器界面的稳定性和重复性的研究却很少。近日，瑞典乌普萨拉大学章贞教授研究组发表了关于金电极表面巯基己醇自组装单分子层的结构改变对电化学阻抗DNA传感器的稳定性的影响的研究。

巯基修饰的DNA和巯基己醇自组装单分子层共同修饰的金电极是常用的电化学传感器的传感电极。巯基己醇自组装单分子层可以控制DNA在金电极表面的形貌以及降低金表面上的非特异性吸附。电化学DNA传感器，常基于表面DNA对于带负电荷的氰化铁/氰化亚铁氧化还原对的静电排斥作用：当表面上的单链探针DNA跟目标DNA杂交后，表面DNA的形貌和电荷数目会改变，从而改变电极表面对于氰化铁/氰化亚铁的排斥作用，以及与氰化铁/氰化亚铁相关的氧化还原反应的特性。电化学阻抗测试可以敏感快速地检测氰化铁/氰化亚铁与金电极之间的电子转移电阻以及界面双电层电容随着表面DNA杂交的变化。目标DNA的信息因此可以通过杂交后的氰化铁/氰化亚铁与金电极之间电子转移电阻改变程度来反映。

要可靠地测量电子转移电阻随表面DNA杂交的变化的一个关键条件是，探针DNA修饰的电极表面本身在电化学阻抗测试过程中保持稳定。尽管关于电化学阻抗DNA传感器的文章很多，但是只有很少的文章指出了这个体系中的不稳定和不重复的现象。后者通常表现为阻抗谱随着测量次数增加的飘移。一些文章认为阻抗谱的飘移可能是由于少部分的氰离子从氰化铁和氰化亚铁的分子中解离，并且这些氰离子可以刻蚀金表面，从而导致阻抗谱的飘移。这种原因导致的飘移通常表现为电子转移电阻随测量次数的增加先短暂增加然后长时间减小。但是由于氰离子形成需要光的协助，而大部分的阻抗测试是在法拉第盒子（暗箱）中进行的，所以这个原因并不能解释大多数阻抗谱的飘移。

由于自组装的单分子层修饰的金表面是高阻抗的体系，所以如果自组装层表面有缺陷，那么这些缺陷就会变成氰化铁和氰化亚铁分子跟金表面反应的通道，从而可能影响电化学阻抗测试。而单分子自组装层中缺陷的形成跟很多条件相关，也很难避免。而且由于巯基己醇单分子链较短，分子之间的作用力较弱，所以巯基己醇单分子层的结晶度相对较低，缺陷也相对较高。如果这些缺陷随着测量而重新分布，那显然会引起阻抗谱的漂移。同时，高温（95度）解旋处理常用于在DNA杂交前来增加DNA杂交的效率，也常用于DNA杂交后来解旋双链DNA从而使传感器可以重复利用。但是这种高温解旋处理对于DNA传感器界面以及阻抗测试的影响也很少被关注。

瑞典乌普萨拉大学章贞教授研究组和Leif Nyholm教授一起研究了电化学阻抗谱的飘移对于分析DNA aptamer和短链互补DNA的杂交的影响。他们发现现阻抗测试过程中电子转移电阻和双电层电容都随着测时间的增加而单调增加。这样的阻抗谱的飘移会极大地影响DNA杂交的阻抗信号的重复性。而且DNA aptamer和巯基己醇自组装单分子层修饰的电极需要在测试溶液中浸泡至少12个小时才能得到稳定的测试基线。通过对比DNA aptamer和巯基己醇自组装单分子层共同修饰的电极和只有巯基自组装单分子膜修饰的电极的阻抗谱飘移特征，他们推断阻抗谱的飘移是由于巯基自组装单分子层在测试溶液的重新排布中逐渐的变紧密“更薄”造成的。此外，他们还观察到杂交过程中用到的高温缓冲液会导致DNA aptamer和巯基自组装单分子层同时发生重组，从而导致新的阻抗谱飘移。测试结果显示由DNA杂交导致的电子转移电阻的改变程度要小于由高温缓冲液导致的改变。由此，他们建议实验人员在试验中需要仔细评估高温对于测试结果的影响。

考虑到巯基己醇自组装单分子层在电化学DNA传感器中的广泛应用，它的重组不只会影响电化学阻抗的测试的稳定性同时也可能影响其他电化学测试方法。因此这篇工作对于制备各种稳定可靠的电化学传感器都有实际的指导作用。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Structural Changes of Mercaptohexanol Self-Assembled Monolayers on Gold and Their Influence on Impedimetric Aptamer Sensors

Xingxing Xu, Asta Makaraviciute, Shalen Kumar, Chenyu Wen, Martin Sjödin, Eldar Abdurakhmanov, U. Helena Danielson, Leif Nyholm, Zhen Zhang*

Anal. Chem., 2019, 91, 14697-14704, DOI: 10.1021/acs.analchem.9b03946

导师介绍

章贞教授2000年本科毕业于中国科技大学，2003年硕士毕业于中国科学院上海硅酸盐研究所，2008年博士毕业于瑞典皇家理工学院微电子专业。同年加入IBM纽约沃森研究院(T J Watson Research Center)做博士后研究，并于2010年取得沃森研究院终身研究员职位进行极大规模集成电路技术研究开发。2013年他获得瑞典Ingvar Carlsson Award 资助加入乌普萨拉大学做Tenure  track助理教授, 2017年晋升副教授（终身教职），2018年晋升固态电子学正教授。他的研究组致力于最先端集成电路微纳加工和微纳器件技术的研究开发及其在传感器和新能源领域的应用。他曾获得瑞典研究理事会优秀青年项目和重点项目(co-PI) 项目资助。他2014年获得Göran Gustafssons青年科学家奖，2015年被瑞典皇家科学院选为Wallenberg Academy Fellow; 2016年被瑞典战略研究基金会选为第六代20名Future research leaders之一。

研究组主页

http://personal.teknik.uu.se/zhenzhang/

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：如上所述， 我们最初是想用电化学阻抗的方法去表征DNA杂交，但是我们发现遵循文献中的方法去测量的时候，并不能得到重复性的结果。之后我们发现测试体系有飘移，而且从文献中的找不到合理的解释，所以我们产生了自己去研究和理解这个测试体系飘移的想法。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：最大的挑战是如何解释电化学飘移的原因，我们做了大量的文献调研，但是很难找到相关的文章，少数的几篇也不适用与我们的体系。同时，因为缺少可以原位地精确的表征界面性质的表征手段，很多的结论都需要结合现有的理论和实验结果通过排除法去推断。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：如上所述，考虑到巯基己醇自组装单分子膜在电化学DNA传感器中的广泛应用，它的重组不只会影响电化学阻抗的测试的稳定性同时也可能影响其他电化学测试方法。因此这篇工作对于制备各种稳定可靠的电化学传感器都有实际的指导作用。