31、无标记分子检测与芯片电容测量技术

无标记分子检测与芯片电容测量技术

1. 电化学电容器的无标记分子检测模型

在分子检测领域，基于界面电容测量的方法备受关注。传统上，阻抗谱测量常采用三电极设置，但简单的两电极配置也吸引了大量研究兴趣。例如，使用 2.4 mm² 金工作电极和 Ag/AgCl 参比电极的两电极设置，已成功用于 20 Hz 下的 DNA 电容检测。而且，通过两个金电极测量界面电容，也能检测 DNA 杂交。

在合适的电化学条件下，生物修饰的金属界面在盐溶液中表现出电容特性。以用烷硫醇链末端固定短 DNA 链修饰的金电极为例，电极/溶液界面的电容值估计在 1 - 20 mF/cm² 之间，这些值强烈依赖于电极特性和表面处理。

1.1 理想电容模型

电极/溶液界面的一阶近似模型是一个等效电路。在这个模型中，$R_S$ 取决于界面和溶液特性，$R_P$ 与界面的绝缘特性有关（对于形成良好的层，可视为无穷大），$C_P$ 主要受固定在表面的绝缘生物层的物理和化学特性影响。电极形成的几何电容与 $C_P$ 并联，但由于其比界面电容小几个数量级，在一阶近似模型中其贡献可忽略不计。

这个简单模型有助于直观理解基本传感原理。当互补 DNA 链与芯片上的 DNA 探针结合形成双链时，溶液中反离子与极化金属表面的距离增加，这导致 $C_P$ 电容器两板之间的距离增大，从而使电容减小。这种变化可通过集成在电极对下方的电路测量。

1.2 恒相元件模型

对于用烷硫醇链层甚至以烷硫醇链结尾的短 DNA 链层修饰的金电极，通常假设其具有理想电容行为，此时电极/溶液界面可用包含常规电容器的等效电路建模。

然而，对 DNA 功能化金