DNA场效应管传感器的分子设计
作者：刘仲明 刘芳
单位：广州军区广州总医院医学实验科 广州 510010
关键词：基因；传感器；场效应晶体管
北京生物医学工程000307 摘 要 为满足临床医学基因诊断的需要，本研究以场效应管为基体传感器，并在栅区构建单链核苷酸敏感栅，实现对目的基因快速、定点、在体检测。本文介绍了DNA场效应管传感器的敏感机理和定量依据，并就传感器结构、自组装单分子膜技术、杂交指示剂、多道测量技术等进行设计和探讨。
A Molecular Design of DNA Field Effect Transistor Transducer
Liu Zhongming
(Guangzhou General Hospital,Guangzhou Military Region PLA,Guangzhou 510010)
, 百拇医药
Liu Fang
(Guangzhou General Hospital,Guangzhou Military Region PLA,Guangzhou 510010)
Abstract
To meet the need of clinical gene diagnosis,we used field effect transistor as the basic transducer to construct a cubicle matrix sensitive to single-chain nucleotides.As a result,it is possible to determine target gene with great speed,and can implement in-situ and in vivo detection.In this paper,we introduce an investigation on pensing mechanism,and quantitative basis of DNA field effect transistor transducer,as well.And also we introduced some consideration about sensor construction,self-assembly monomolecular-membrane technique,hybridization indicator,and multi-track measuring technique,etc.
, 百拇医药
Key words:Gene, Transducer, Field effect transistor
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。
, http://www.100md.com
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。
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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。
, http://www.100md.com 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
敏感栅的制备：
敏感栅采用自组装单分子膜技术，包括表面处理、表面化学修饰、自组装工艺等三个环节，其实质是连续手臂的选择和DNA与手臂的连接[2]。
, 百拇医药
4 杂交指示剂的设计
为了提高检测灵敏度，必须研制、应用杂交指示剂[3，4]。杂交指示剂是一类能与ssDNA和dsDNA以不同方式相互结合的物质，杂交指示剂与DNA分子的结合有三种基本模式：(1)杂交指示剂与DNA分子双螺旋的碱基对之间的大沟槽相互作用，产生嵌入作用；(2)杂交指示剂与DNA分子双螺旋的碱基对之间的小沟槽相互作用而结合，产生耦合作用；(3)杂交指示剂与DNA分子的带负电荷的核酸—磷酸基骨架之间的静电相互作用。无论哪一种结合都会使DNA分子变成“夹心面包”导致几何状态的畸变，基于杂交指示剂与ssDNA和dsDNA选择性结合能力的差异，杂交指示剂的选用将大大提高传感器的灵敏度。
分子设计新型杂交指示剂，一方面要设计双嵌合剂、三嵌合剂以便产生“分子剪刀”功能，另一方面要增加离域化π电子共轭键，有利于在外电场作用下电子在键中的传递。
5 信号测量系统的设计
, 百拇医药
为了自动测量DNA传感器输出特性，设计以微型计算机为主体的测量系统，该系统由一台IBM-AT微机、DT2801型A/D及D/A输入/输出接口板和电压/电流转换器组成[5]。DNA特性曲线自动测量方框图见图4。
本系统具有菜单、复位、置位、查错、测试、显示及打印特性曲线等功能，并建立多道测量技术，以提高检测的可靠性。
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。
, http://www.100md.com
基金项目：本课题由广东省自然科学基金资助(计划编号：970757)。
作者简介：刘仲明(1940-)，男，1963年毕业于武汉大学化学系。现任广州军区总医院医学实验科高级工程师、硕士生导师。主要研究方向是生物传感器。
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
(1998-07-23收稿，2000-02-15修回), 百拇医药
单位：广州军区广州总医院医学实验科 广州 510010
关键词：基因；传感器；场效应晶体管
北京生物医学工程000307 摘 要 为满足临床医学基因诊断的需要，本研究以场效应管为基体传感器，并在栅区构建单链核苷酸敏感栅，实现对目的基因快速、定点、在体检测。本文介绍了DNA场效应管传感器的敏感机理和定量依据，并就传感器结构、自组装单分子膜技术、杂交指示剂、多道测量技术等进行设计和探讨。
A Molecular Design of DNA Field Effect Transistor Transducer
Liu Zhongming
(Guangzhou General Hospital,Guangzhou Military Region PLA,Guangzhou 510010)
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Liu Fang
(Guangzhou General Hospital,Guangzhou Military Region PLA,Guangzhou 510010)
Abstract
To meet the need of clinical gene diagnosis,we used field effect transistor as the basic transducer to construct a cubicle matrix sensitive to single-chain nucleotides.As a result,it is possible to determine target gene with great speed,and can implement in-situ and in vivo detection.In this paper,we introduce an investigation on pensing mechanism,and quantitative basis of DNA field effect transistor transducer,as well.And also we introduced some consideration about sensor construction,self-assembly monomolecular-membrane technique,hybridization indicator,and multi-track measuring technique,etc.
, 百拇医药
Key words:Gene, Transducer, Field effect transistor
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。
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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。
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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。
, http://www.100md.com 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
敏感栅的制备：
敏感栅采用自组装单分子膜技术，包括表面处理、表面化学修饰、自组装工艺等三个环节，其实质是连续手臂的选择和DNA与手臂的连接[2]。
, 百拇医药
4 杂交指示剂的设计
为了提高检测灵敏度，必须研制、应用杂交指示剂[3，4]。杂交指示剂是一类能与ssDNA和dsDNA以不同方式相互结合的物质，杂交指示剂与DNA分子的结合有三种基本模式：(1)杂交指示剂与DNA分子双螺旋的碱基对之间的大沟槽相互作用，产生嵌入作用；(2)杂交指示剂与DNA分子双螺旋的碱基对之间的小沟槽相互作用而结合，产生耦合作用；(3)杂交指示剂与DNA分子的带负电荷的核酸—磷酸基骨架之间的静电相互作用。无论哪一种结合都会使DNA分子变成“夹心面包”导致几何状态的畸变，基于杂交指示剂与ssDNA和dsDNA选择性结合能力的差异，杂交指示剂的选用将大大提高传感器的灵敏度。
分子设计新型杂交指示剂，一方面要设计双嵌合剂、三嵌合剂以便产生“分子剪刀”功能，另一方面要增加离域化π电子共轭键，有利于在外电场作用下电子在键中的传递。
5 信号测量系统的设计
, 百拇医药
为了自动测量DNA传感器输出特性，设计以微型计算机为主体的测量系统，该系统由一台IBM-AT微机、DT2801型A/D及D/A输入/输出接口板和电压/电流转换器组成[5]。DNA特性曲线自动测量方框图见图4。
本系统具有菜单、复位、置位、查错、测试、显示及打印特性曲线等功能，并建立多道测量技术，以提高检测的可靠性。
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。
, http://www.100md.com
基金项目：本课题由广东省自然科学基金资助(计划编号：970757)。
作者简介：刘仲明(1940-)，男，1963年毕业于武汉大学化学系。现任广州军区总医院医学实验科高级工程师、硕士生导师。主要研究方向是生物传感器。
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
(1998-07-23收稿，2000-02-15修回), 百拇医药