DNA場效應管傳感器的分子設計

摘　要　

為滿足臨床醫學基因診斷的需要，本研究以場效應管為基體傳感器，并在柵區構建單鏈核苷酸敏感柵，實現對目的基因快速、定點、在體檢測。本文介紹了DNA場效應管傳感器的敏感機理和定量依據，并就傳感器結構、自組裝單分子膜技術、雜交指示劑、多道測量技術等進行設計和探討。

分子生物學技術的迅速發展，給臨床醫學診斷以巨大的影響，與疾病相關的DNA片段的檢測即“基因診斷”成為一種新興的臨床診斷方法，加之本世紀內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技術的發展，使基因診斷技術不斷提高，日臻成熟。

目前，基因診斷均采用PCR技術，它以其簡便、快速、靈敏的優勢，成為臨床診斷的技術熱點，但是PCR技術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，生物傳感器飛速發展，人們把生物技術與現代物理、化學、微電子學技術結合起來，研制了各種各樣的生物傳感器，從酶傳感器發展到抗原(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，顯示出誘人的發展前景。

本研究以場效應管傳感器為基體傳感器，通過設計場效應管柵區自組裝單分子膜技術，設計雜交指示劑，建立DNA場效應管傳感器制備方法，為臨床醫學基因診斷技術提供新方法、新器材。

1　結構與組成

DNA場效應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傳感器內部結構圖

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傳感器內部結構見圖1。

2　工作原理

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

在場效應管的柵區，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

場效應管在飽和區的閾電壓為：

VT=VD-2ID/β1/2

當待測物分子與敏感柵作用時，發生電荷轉移，導致功函數變化，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場效應管傳感器把生物敏感柵的敏感特性和場效應管的場致響應結合起來，其作用機理是分子生物學，結構形式是膜，表現的現象是電。