Temperature-Compensated DNA Hybridization Detection with an Ultralow Detection Limit Based on a Mach–Zehnder Interferometer

生物传感器 干涉测量 解调 化学 检出限 DNA DNA–DNA杂交 光纤布拉格光栅 互补DNA 光学 A-DNA 核酸酶 光电子学 寡核苷酸 杂交探针 折射率 信号(编程语言) 极限(数学) 核酸热力学 纳米技术 DNA测序 光纤 分子生物物理学 多重位移放大 分辨率(逻辑) 探测理论 分子生物学
作者
Ruyue Shi,Shaoyu Jia,Xiao Qing Liu,Zhigang Gao,Chao Feng,Shuguang Li,H T Chen,Perry Ping Shum
出处
期刊:Analytical Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:98 (9): 6672-6683 被引量:3
标识
DOI:10.1021/acs.analchem.5c06226
摘要

Overcoming temperature-induced signal drift remains a fundamental challenge in developing reliable DNA biosensors, particularly for low-concentration DNA detection, where uncompensated temperature fluctuation severely compromises the detection accuracy. We propose a novel biosensing platform integrating a cascaded Mach–Zehnder interferometer (MZI) fabricated using a 6.8 μm taper-waist thin single-mode fiber (TTSMF) with a fiber Bragg grating (FBG). The temperature compensation is achieved through a contour-based differential demodulation method that effectively decouples temperature fluctuation from the DNA molecular hybridization. Functionalized with mercaptoethylamine (MEA)-mediated self-assembled monolayers and probe DNA (pDNA) immobilization, the biosensor achieves 100-fold specificity discrimination with 5.91 nm complementary DNA (cDNA) redshift versus 0.059 nm for noncomplementary DNA (nonDNA), caused by refractive index (RI) changes resulting from DNA hybridization between pDNA and cDNA revealed by a molecular theory. The compensated DNA biosensor demonstrates an ultralow detection limit of 1.274 × 10 –12 mol/L (M) with 1.0564 × 10 –12 M resolution, outperforming existing interferometric DNA biosensors by 2 orders of magnitude. The DNA biosensor not only exhibits excellent sensing performance through its innovative structure but also enables real-time temperature compensation, paving the way for reliable detection of disease-associated DNA biomarkers and offering transformative potential for early diagnosis of genetic disorders in clinical settings.
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