DNA场效应管传感器的分子设计

    分子生物学技术的迅速发展，给临床医学诊断以巨大的影响，与疾病相关的DNA片段的检测即“基因诊断”成为一种新兴的临床诊断方法，加之本世纪内能与阿波罗登月计划媲美的人类基因组计划的完成和其它相关技术的发展，使基因诊断技术不断提高，日臻成熟。
　　
    目前，基因诊断均采用PCR技术，它以其简便、快速、灵敏的优势，成为临床诊断的技术热点，但是PCR技术存在急需解决的二大问题：一是不能定量，二是污染所致的假阳问题。
　　
    近年来，生物传感器飞速发展，人们把生物技术与现代物理、化学、微电子学技术结合起来，研制了各种各样的生物传感器，从酶传感器发展到抗原(抗体)传感器，乃至基因(DNA)传感器［1］。DNA传感器的出现使对目的DNA的测量时间大大缩短，操作简便，无污染，既可定性，又可定量。且灵敏度高、选择性好，显示出诱人的发展前景。
　　
    本研究以场效应管传感器为基体传感器，通过设计场效应管栅区自组装单分子膜技术，设计杂交指示剂，建立DNA场效应管传感器制备方法，为临床医学基因诊断技术提供新方法、新器材。
　　
    1　结构与组成
　　
    DNA场效应管传感器由敏感元件、加热元件、测温元件等集成而成。

     图1　DNA传感器内部结构图

    敏感元件有漏极(D)、源极(S)和栅极(G，生物敏感栅)组成，测温元件为测温二极管。DNA传感器内部结构见图1。
　　
      2　工作原理
　　
    DNA场效应管传感器对靶DNA的选择测定，即定性机理是基于分子杂交技术，DNA传感器工作原理见图2。

    在场效应管的栅区，固定一条含有十几到上千个核苷酸单链DNA(ssDNA)，通过分子杂交，达到对另一条含有互补碱基序列DNA的识别，形成双链DNA(dsDNA)，待测分子含量通过换能器表达出来。定量原理如下：

    图2　DNA传感器工作原理

    场效应管在饱和区的阈电压为：

    VT=VD-2ID/β1/2
　　
    当待测物分子与敏感栅作用时，发生电荷转移，导致功函数变化，使阈电压偏移，其改变量ΔVT，可用IT保持恒定时的漏电压表示出来。
　　
    DNA场效应管传感器把生物敏感栅的敏感特性和场效应管的场致响应结合起来，其作用机理是分子生物学，结构形式是膜，表现的现象是电。
　　
    3　基体传感器的设计及敏感栅的制备
　　
    基体传感器的设计：
　　
    选用P型硅材料，芯片面积2×2mm2，沟道长度为30μm，采用半导体集成工艺制备，DNA版图示意见图3。

    图3　DNA传感器版图示意图

    图4　DNA传感器特性曲线自动测量系统方框图

      6　结语
　　
    DNA场效应管传感器探测的是DNA分子之间的相互作用，灵敏度高、响应快，其灵敏度可达ng级，甚至pg级。由于该传感器采用半导体集成技术制备，可实现阵列化，并可实现多基因的同步检测。据此，加强DNA场效应管传感器的稳定性和可靠性研究，可望在“基因诊断”中占有一席之地。
　　
      7　参考文献

    ［1］　Tsuruta H,et al.Detection of the products of polymerase chain reaction by an ELISA system based on an ion sensitive field effect transistor.J Immunol Method,1994,176(1):45

    ［2］ Wood S J.DNA-DNA hybridization in real time using BIAcore.Microchem J,1993,47:330

    ［3］ 庞代文，等。DNA的电化学研究。化学通报，1994，2：1

    ［4］　Hashimoto K,et al.Novel DNA sensor for electrochemical gene detection.Anal Chim Acta,1994,286:219

    ［5］　聂邦畿。微机在ISFET特性测量中的应用。现代医学仪器与应用，1997，4：2