DNA場效應(yīng)管傳感器的分子設(shè)計

摘　要　

為滿足臨床醫(yī)學(xué)基因診斷的需要，本研究以場效應(yīng)管為基體傳感器，并在柵區(qū)構(gòu)建單鏈核苷酸敏感柵，實現(xiàn)對目的基因快速、定點、在體檢測。本文介紹了DNA場效應(yīng)管傳感器的敏感機理和定量依據(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、多道測量技術(shù)等進行設(shè)計和探討。

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)能與阿波羅登月計劃媲美的人類基因組計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)，它以其簡便、快速、靈敏的優(yōu)勢，成為臨床診斷的技術(shù)熱點，但是PCR技術(shù)存在急需解決的二大問題：一是不能定量，二是污染所致的假陽問題。

近年來，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，研制了各種各樣的生物傳感器，從酶傳感器發(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)使對目的DNA的測量時間大大縮短，操作簡便，無污染，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。

本研究以場效應(yīng)管傳感器為基體傳感器，通過設(shè)計場效應(yīng)管柵區(qū)自組裝單分子膜技術(shù)，設(shè)計雜交指示劑，建立DNA場效應(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場效應(yīng)管傳感器由敏感元件、加熱元件、測溫元件等集成而成。

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，測溫元件為測溫二極管。DNA傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖1。

2　工作原理

DNA場效應(yīng)管傳感器對靶DNA的選擇測定，即定性機理是基于分子雜交技術(shù)，DNA傳感器工作原理見圖2。

在場效應(yīng)管的柵區(qū)，固定一條含有十幾到上千個核苷酸單鏈DNA(ssDNA)，通過分子雜交，達到對另一條含有互補堿基序列DNA的識別，形成雙鏈DNA(dsDNA)，待測分子含量通過換能器表達出來。定量原理如下：

圖2　DNA傳感器工作原理

場效應(yīng)管在飽和區(qū)的閾電壓為：

VT=VD-2ID/β1/2

當(dāng)待測物分子與敏感柵作用時，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保持恒定時的漏電壓表示出來。

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