DNA界面传感技术在医学诊断、环境检测和生物安全等应用中具有重要意义。精确控制DNA分子在界面的吸附与组装是实现高效传感的关键。传统方法中，DNA分子在液固界面通过化学反应或吸附作用，形成分子识别层。然而，功能DNA通常为单链结构，修饰过程中易发生非特异性吸附作用，导致界面上DNA构象难以控制，从而影响传感性能。
针对上述挑战，西安交通大学赵永席教授和刘必武教授团队通过简单的冷冻-解冻方法，将功能DNA分子浓缩到金电极表面，实现了DNA在液固界面的高度均一自组装，显著提高了DNA电化学传感器的稳定性和靶标识别能力。作者通过拉曼光谱、共聚焦荧光成像、方波伏安法和电化学阻抗谱等方法，证明了冷冻可将单链DNA分子从无规则的卷曲构象拉伸至延伸构象，确保在自组装过程中Au-S键占主导地位，最终使巯基DNA以直立构象固定在金电极表面。
巯基小分子（如6-巯基己醇，MCH）常作为回填剂用来调控金表面DNA的构象。然而，前期研究表明，常规方法室温下制备的DNA分子层，在引入MCH后容易发生结构重排，导致传感性能差，难以重复。作者发现，通过冷冻形成的DNA自组装层高度均一，可有效消除电化学阻抗谱测量中的背景信号偏移问题，表现出优异的批间一致性和长期稳定性。此外，冷冻定向组装的DNA传感界面在复杂生物样本中具有更高的稳定性。
图1 冷冻介导的DNA界面自组装
高度均一的自组装层有效降低了DNA同靶标结合的能量壁垒，提高了DNA传感界面的分子识别能力，为复杂环境下DNA、药物和蛋白分子的高灵敏检测提供了保障。这项研究不仅为DNA电化学传感界面的调控提供了一种简单、有效的方法，同时揭示了相变过程中DNA在液固界面的独特分子行为。此外，该方法还可以扩展到其它DNA传感体系，如场效应晶体管，表面等离子体共振和拉曼传感器等。
该工作近期以“Highly Uniform DNA Monolayers Generated by Freezing‐Directed Assembly on Gold Surfaces Enable Robust Electrochemical Sensing in Whole Blood”为题发表在《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）上（DOI: 10.1002/ange.202312975），西安交通大学生命学院为第一通讯单位，前沿科学技术学院为共同通讯单位，生命学院博士生李正连为第一作者，赵永席教授和刘必武教授为共同通讯作者。该工作受到了国家自然科学基金、西安交通大学青年拔尖人才支持计划、陕西省重点研发计划和陕西省创新能力支撑计划的支持，也得到了西安交通大学分析测试共享中心的大力支持。
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ange.202312975