ナノポーラス核酸センサーにおける有効表面積、物質輸送、および電気化学的特徴の相互作用

Interplay of Effective Surface Area, Mass Transport, and Electrochemical Features in Nanoporous Nucleic Acid Sensors.

• Jovana Veselinovic
• Suzan AlMashtoub
• Sachit Nagella
• Erkin Seker

抄録

電気化学バイオセンサーは、生化学的事象（例：DNAハイブリダイゼーション）を電気信号に変換し、携帯性のために電子機器と容易に接続することができます。作用電極をナノ構造化することで、有効表面積を増大させ、分析対象物の捕捉確率を高めることで、センサーの性能を向上させることができる。しかし、ナノ構造化電極を厚くして有効表面積を増やすと、ナノ構造化された体積への分析物の浸透が妨げられ、より深い電極表面へのアクセスが制限されてしまう。ここでは、様々な厚さと細孔形態を持つナノポーラス金(np-Au)とメチレンブルー(MB)レポータータグ付きDNAプローブをモデルシステムとして用いて、電極の特徴が電気化学的センシング性能に与える影響を研究している。DNAターゲット濃度に依存せず、ハイブリダイゼーション電流(検出感度のサロゲート)は表面増強係数(EF)とともに増加し、EFが5程度になるとセンサー性能が低下することを明らかにした。脱離したDNAプローブの電気化学的及びフロロメトリックな定量化は、より高いEFではDNAの透過が著しく制限されることを示唆している。さらに、望ましくない容量性電流は、より高い方形波ボルタンメトリー（SWV）周波数を必要とするより大きなEFでMBレポーターからのファラダ電流を偽装する。最後に、リアルタイムハイブリダイゼーションの研究により、実効表面積をEFを超えて拡大するとセンサーの性能が低下することが明らかになった。

Electrochemical biosensors transduce biochemical events (e.g., DNA hybridization) to electrical signals and can be readily interfaced with electronic instrumentation for portability. Nanostructuring the working electrode enhances sensor performance via augmented effective surface area that increases the capture probability of an analyte. However, increasing the effective surface area via thicker nanostructured electrodes hinders the analyte's permeation into the nanostructured volume and limits its access to deeper electrode surfaces. Here, we use nanoporous gold (np-Au) with various thicknesses and pore morphologies coupled with a methylene blue (MB) reporter-tagged DNA probe for DNA target detection as a model system to study the influence of electrode features on electrochemical sensing performance. Independent of the DNA target concentration, the hybridization current (surrogate for detection sensitivity) increases with the surface enhancement factor (EF), until an EF of ∼5, after which the sensor performance deteriorates. Electrochemical and fluorometric quantification of a desorbed DNA probe suggest that DNA permeation is severely limited for higher EFs. In addition, undesirable capacitive currents disguise the faradaic currents from the MB reporter at larger EFs that require higher square wave voltammetry (SWV) frequencies. Finally, a real-time hybridization study reveals that expanding the effective surface area beyond EFs of ∼5 decreases sensor performance.