ACS Nano: 压电电子学效应增强氧化锌纳米线生物传感器的DNA无标记检测

【引语】

2016年8月1日，ACS Nano期刊官网在线发表了题为”Piezotronic Effect Enhanced Lable-Free Detection of DNA Using a Schottky-Contacted ZnO Nanowire Biosensor”的文章。该文章的第一作者是国家纳米科学中心的Xiaotao Cao，通讯作者为国家纳米科学中心（中国科学院北京纳米能源与系统研究所）的王中林教授、曹霞教授以及北京滚球体育 大学的王宁副教授。

这篇文章的主要工作是发展了基于肖特基接触（Schottky-contacted）氧化锌纳米线（nanowire）传感器，实现了对人类免疫缺陷病毒1型（HIV-1）基因的灵敏、原位选择性无标记检测。

【成果简介】

随着核酸检测越来越广泛地应用于基因分型技术、临床诊断以及生物医学研究等领域，传统的光学检测和实时PCR技术因其自身有着检测成本高等缺点，已经不能够满足器件对于高性价比、高速度以及高灵敏度的检测要求。相比之下，以一维纳米材料为代表的无标记检测器件因为拥有超高的比表面积而为实现低成本、简单有效的DNA检测提供了可能性。基于半导体纳米线的场效应管就是这样一种极具应用潜力的器件。其中，通过改变金属-半导体界面的肖特基势磊垒（SBH）可以调控器件性能的肖特基接触型传感器是研究人员的关注热点。

氧化锌纳米线拥有优异的半导体和压电（piezoelectricity）性能，是制备肖特基接触型器件的理想材料。国家纳米科学中心等机构的研究人员利用施加在氧化锌纳米线上的外加应变（external strains）来产生压电电势（piezoelectric potential）。随后根据压电电子学效应（piezotronic effect），该电势可以通过增加或降低SBH来影响连结/界面处载流子的传输，从而改变纳米线基器件的性能。此外，通过带负电的探针互补DNA（target cDNA）与吸附在纳米线上的单链DNA（ssDNA）进行特异性杂交，可以实现器件选择性检测的功能。

【图文导读】

图1：氧化锌纳米线DNA传感器

(a) 氧化锌纳米线DNA传感器的数码图像及光学显微图像；(b) 合成的氧化锌纳米线的扫描电镜图；(c) 压电电子学效应对DNA传感器性能影响的实验设置示意图；(d) 无应变或外部应变下氧化锌纳米线DNA传感器的功能化和检测过程。

图2：ssDNA纳米线表面固定实验荧光发射分析

(a) 氧化锌纳米线的荧光显微图像；(b) 标记有激发波长为494nm的荧光染料FAM的ssDNA在氧化锌纳米线表面功能化的荧光显微图像。

图3：不同压应变及不同探针DNA浓度条件下DNA传感器的伏安特性曲线（偏置电压范围为-1.5-1.5V）

(a) 压应变为00%，探针cDNA浓度范围为0到1E-7M；(b) 压应变为-0.59%，探针cDNA浓度范围为0到1E-7M；(c) 探针cDNA浓度为1E-10M，压应变范围为0到-0.59%；(d) 探针cDNA浓度为1E-7M，压应变范围为0到-0.59%；(e) 压应变为00%，非探针cDNA浓度范围为0到1E-7M；(f) 压应变范围为0到-0.59%并且探针cDNA浓度范围为0到1E-7M时的输出电流响应三维图像（偏置电压为5V）。

图4：经过压电电子学效应增强性能的氧化锌纳米线DNA传感器

(a) 在一定探针cDNA浓度（0, 1E−10, 1E−9, 1E−8, 1E−7 M）下，DNA传感器对不同压应变电流响应（绝对值）；(b) 在一定探针cDNA浓度（0, 1E−10, 1 E−9, 1 E−8, 1 E−7 M）下，DNA传感器对不同压应变电流响应（相对值）；(c) 在一定压应变（00, -0.25,-0.36 , -0.45,-0.59%）下，DNA传感器对不同探针cDNA浓度电流响应（绝对值）；(d) 在一定压应变（00, -0.25,-0.36 , -0.45,-0.59%）下，DNA传感器对不同探针cDNA浓度电流响应（相对值）。

图5：不同条件下氧化锌纳米线DNA传感器的简要能带图

(a) 无应变；(b) 压应变以及ssDNA功能化处理，但无探针DNA；(c) 压应变、ssDNA以及探针DNA功能化处理。

【小结】

该项工作的实验结果显示，当施加在氧化锌纳米线基DNA传感器上的压应变为-0.59%时，电流响应的相对值被增强了454%。这充分说明利用压电电子学效应的器件改性方法可以显著提高肖特基接触型氧化锌纳米线基DNA传感器的检测性能。

文献链接：Piezotronic Effect Enhanced Label-Free Detection of DNA Using a Schottky-Contacted ZnO Nanowire Biosensor（ACS Nano, 2016, DOI: 10.1021/acsnano.6b04121）

本文由材料人材料人纳米学习小组ShiXiong Chern供稿，欧洲足球赛事 编辑整理。

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