DNA場(chǎng)效應(yīng)管傳感器的分子設(shè)計(jì)

摘　要　

為滿足臨床醫(yī)學(xué)基因診斷的需要，本研究以場(chǎng)效應(yīng)管為基體傳感器，并在柵區(qū)構(gòu)建單鏈核苷酸敏感柵，實(shí)現(xiàn)對(duì)目的基因快速、定點(diǎn)、在體檢測(cè)。本文介紹了DNA場(chǎng)效應(yīng)管傳感器的敏感機(jī)理和定量依據(jù)，并就傳感器結(jié)構(gòu)、自組裝單分子膜技術(shù)、雜交指示劑、多道測(cè)量技術(shù)等進(jìn)行設(shè)計(jì)和探討。

分子生物學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，給臨床醫(yī)學(xué)診斷以巨大的影響，與疾病相關(guān)的DNA片段的檢測(cè)即“基因診斷”成為一種新興的臨床診斷方法，加之本世紀(jì)內(nèi)能與阿波羅登月計(jì)劃媲美的人類基因組計(jì)劃的完成和其它相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，使基因診斷技術(shù)不斷提高，日臻成熟。

目前，基因診斷均采用PCR技術(shù)，它以其簡(jiǎn)便、快速、靈敏的優(yōu)勢(shì)，成為臨床診斷的技術(shù)熱點(diǎn)，但是PCR技術(shù)存在急需解決的二大問(wèn)題：一是不能定量，二是污染所致的假陽(yáng)問(wèn)題。

近年來(lái)，生物傳感器飛速發(fā)展，人們把生物技術(shù)與現(xiàn)代物理、化學(xué)、微電子學(xué)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，研制了各種各樣的生物傳感器，從酶?jìng)鞲衅靼l(fā)展到抗原(抗體)傳感器，乃至基因(DNA)傳感器[1]。DNA傳感器的出現(xiàn)使對(duì)目的DNA的測(cè)量時(shí)間大大縮短，操作簡(jiǎn)便，無(wú)污染，既可定性，又可定量。且靈敏度高、選擇性好，顯示出誘人的發(fā)展前景。

本研究以場(chǎng)效應(yīng)管傳感器為基體傳感器，通過(guò)設(shè)計(jì)場(chǎng)效應(yīng)管柵區(qū)自組裝單分子膜技術(shù)，設(shè)計(jì)雜交指示劑，建立DNA場(chǎng)效應(yīng)管傳感器制備方法，為臨床醫(yī)學(xué)基因診斷技術(shù)提供新方法、新器材。

1　結(jié)構(gòu)與組成

DNA場(chǎng)效應(yīng)管傳感器由敏感元件、加熱元件、測(cè)溫元件等集成而成。

圖1　DNA傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

敏感元件有漏極(D)、源極(S)和柵極(G，生物敏感柵)組成，測(cè)溫元件為測(cè)溫二極管。DNA傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖1。

2　工作原理

DNA場(chǎng)效應(yīng)管傳感器對(duì)靶DNA的選擇測(cè)定，即定性機(jī)理是基于分子雜交技術(shù)，DNA傳感器工作原理見圖2。

在場(chǎng)效應(yīng)管的柵區(qū)，固定一條含有十幾到上千個(gè)核苷酸單鏈DNA(ssDNA)，通過(guò)分子雜交，達(dá)到對(duì)另一條含有互補(bǔ)堿基序列DNA的識(shí)別，形成雙鏈DNA(dsDNA)，待測(cè)分子含量通過(guò)換能器表達(dá)出來(lái)。定量原理如下：

圖2　DNA傳感器工作原理

場(chǎng)效應(yīng)管在飽和區(qū)的閾電壓為：

VT=VD-2ID/β1/2

當(dāng)待測(cè)物分子與敏感柵作用時(shí)，發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致功函數(shù)變化，使閾電壓偏移，其改變量ΔVT，可用IT保持恒定時(shí)的漏電壓表示出來(lái)。

DNA場(chǎng)效應(yīng)管傳感器把生物敏感柵的敏感特性和場(chǎng)效應(yīng)管的場(chǎng)致響應(yīng)結(jié)合起來(lái)，其作用機(jī)理是分子生物學(xué)，結(jié)構(gòu)形式是膜，表現(xiàn)的現(xiàn)象是電。