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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。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。
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。
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：
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。
3 基體傳感器的設(shè)計(jì)及敏感柵的制備
基體傳感器的設(shè)計(jì)：
選用P型硅材料，芯片面積2×2mm2，溝道長(zhǎng)度為30μm，采用半導(dǎo)體集成工藝制備，DNA版圖示意見圖3。
敏感柵的制備：
敏感柵采用自組裝單分子膜技術(shù)，包括表面處理、表面化學(xué)修飾、自組裝工藝等三個(gè)環(huán)節(jié)，其實(shí)質(zhì)是連續(xù)手臂的選擇和DNA與手臂的連接［2］。
4 雜交指示劑的設(shè)計(jì)
為了提高檢測(cè)靈敏度，必須研制、應(yīng)用雜交指示劑［3，4］。雜交指示劑是一類能與ssDNA和dsDNA以不同方式相互結(jié)合的物質(zhì)，雜交指示劑與DNA分子的結(jié)合有三種基本模式：（1）雜交指示劑與DNA分子雙螺旋的堿基對(duì)之間的大溝槽相互作用，產(chǎn)生嵌入作用；（2）雜交指示劑與DNA分子雙螺旋的堿基對(duì)之間的小溝槽相互作用而結(jié)合，產(chǎn)生耦合作用；（3）雜交指示劑與DNA分子的帶負(fù)電荷的核酸—磷酸基骨架之間的靜電相互作用。無(wú)論哪一種結(jié)合都會(huì)使DNA分子變成“夾心面包”導(dǎo)致幾何狀態(tài)的畸變，基于雜交指示劑與ssDNA和dsDNA選擇性結(jié)合能力的差異，雜交指示劑的選用將大大提高傳感器的靈敏度。
分子設(shè)計(jì)新型雜交指示劑，一方面要設(shè)計(jì)雙嵌合劑、三嵌合劑以便產(chǎn)生“分子剪刀”功能，另一方面要增加離域化π電子共軛鍵，有利于在外電場(chǎng)作用下電子在鍵中的傳遞。
5 信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
為了自動(dòng)測(cè)量DNA傳感器輸出特性，設(shè)計(jì)以微型計(jì)算機(jī)為主體的測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一臺(tái)IBM-AT微機(jī)、DT2801型A/D及D/A輸入/輸出接口板和電壓/電流轉(zhuǎn)換器組成。
本系統(tǒng)具有菜單、復(fù)位、置位、查錯(cuò)、測(cè)試、顯示及打印特性曲線等功能，并建立多道測(cè)量技術(shù)，以提高檢測(cè)的可靠性。
6 結(jié)語(yǔ)
DNA場(chǎng)效應(yīng)管傳感器探測(cè)的是DNA分子之間的相互作用，靈敏度高、響應(yīng)快，其靈敏度可達(dá)ng級(jí)，甚至pg級(jí)。由于該傳感器采用半導(dǎo)體集成技術(shù)制備，可實(shí)現(xiàn)陣列化，并可實(shí)現(xiàn)多基因的同步檢測(cè)。據(jù)此，加強(qiáng)DNA場(chǎng)效應(yīng)管傳感器的穩(wěn)定性和可靠性研究，可望在“基因診斷”中占有一席之地。
