基于石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管的核酸生物傳感器研究.pdf

1、核酸分子的檢測(cè)可以為分子生物學(xué)研究、遺傳病診斷和環(huán)境監(jiān)測(cè)等提供非常有用的信息。雖然目前已有多種檢測(cè)核酸分子的方法，但是研發(fā)超靈敏度、高選擇性的核酸檢測(cè)方法仍然十分重要。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)及生物技術(shù)的迅速發(fā)展，生物傳感器的研究越來(lái)越熱門，這個(gè)新興的交叉學(xué)科領(lǐng)域?qū)⒃谏茖W(xué)研究及醫(yī)學(xué)檢測(cè)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。
　　生物傳感器是將生物識(shí)別元件與適當(dāng)?shù)男盘?hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)元件組合在一起用來(lái)可逆和選擇性地檢測(cè)各種類型樣品中的生物化學(xué)物質(zhì)的濃度或活性的裝

2、置。生物傳感器是一類以生物識(shí)別元件（如核酸、抗體、酶、細(xì)胞等）作為生物敏感單元，對(duì)目標(biāo)待測(cè)物具有高度選擇性的特殊裝置。然后利用信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)元件將生物信號(hào)轉(zhuǎn)換成可以檢測(cè)的信號(hào)，而實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)目標(biāo)物的檢測(cè)。
　　納米場(chǎng)效應(yīng)晶體管（field effect transistor，F(xiàn)ET）生物傳感器是近年發(fā)展起來(lái)的一種基于納米材料的新型生物傳感器。一方面，它具有高度的微型化和集成化的潛力而吸引了生命科學(xué)領(lǐng)域研究者的廣泛關(guān)注。另一方面，由于納米材

3、料具有獨(dú)特的理化性質(zhì)，如表面效應(yīng)、微尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等，使得納米 FET生物傳感器與傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)相比，具有靈敏度和選擇性高、分析速度快、免標(biāo)記、操作簡(jiǎn)單、試劑消耗少等特點(diǎn)，非常適用于生物分子的檢測(cè)，可以預(yù)見(jiàn)它在醫(yī)學(xué)檢測(cè)中會(huì)發(fā)揮越來(lái)越大的作用。
　　石墨烯是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的二維納米材料。石墨烯具有獨(dú)特的理化性質(zhì):大的體表比、高的電子遷移率、極好的熱電傳導(dǎo)性、高機(jī)械強(qiáng)度等，石墨烯這些獨(dú)特的性質(zhì)可用

4、來(lái)提高納米 FET生物傳感器檢測(cè)的靈敏度和選擇性。
　　本文將納米材料石墨烯應(yīng)用于場(chǎng)效應(yīng)晶體管生物傳感器上，構(gòu)建基于石墨烯的FET生物傳感器。在石墨烯表面固定上與靶序列特異的探針?lè)肿?，利用核?核酸分子雜交的原理和通過(guò)檢測(cè)雜交前后電信號(hào)的變化就可以達(dá)到高靈敏度和高選擇性地檢測(cè)核酸分子的目的。具體內(nèi)容如下：
　　第一章：基于肽核酸修飾的石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管DNA生物傳感器
　　按照標(biāo)準(zhǔn)的微納加工技術(shù)制備場(chǎng)效應(yīng)晶體管，利用9

5、8％的肼化學(xué)還原氧化石墨烯（graphene oxide，GO）制備得到還原的氧化石墨烯（reduced graphene oxide，R-GO），將R-GO懸液滴涂到場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件表面構(gòu)建石墨烯 FET生物傳感器。然后通過(guò)1-芘丁酸-琥珀酰亞胺酯（1-pyrenebutanoic acid succinimidyl ester，PASE）將肽核酸（peptide nucleic acid，PNA）探針固定在場(chǎng)效應(yīng)晶體管生物傳感器上的

6、R-GO表面，通過(guò)檢測(cè) PNA-DNA雜交前后電信號(hào)的變化進(jìn)行 DNA的檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)得到的DNA檢測(cè)限可低至100 fmol/L,該靈敏度比已報(bào)道的基于DNA-DNA雜交的石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管DNA生物傳感器的靈敏度提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。另外，該R-GO場(chǎng)效應(yīng)晶體管生物傳感器還能夠區(qū)分互補(bǔ)DNA、非互補(bǔ)DNA和單堿基錯(cuò)配的DNA，具有很好的選擇性。同時(shí)，該DNA生物傳感器還能夠重復(fù)使用。終上所述，構(gòu)建的R-GO場(chǎng)效應(yīng)晶體管DNA生物傳感器具有超

7、高的靈敏度、高選擇性及重復(fù)使用性，表明其作為一個(gè)床旁檢測(cè)工具在疾病診斷中具有潛在的應(yīng)用前景。
　　第二章：基于金納米顆粒修飾的石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管miRNA生物傳感器
　　按上述方法制備石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管生物傳感器，利用氯金酸溶液將金納米顆粒（gold nanoparticles，AuNPs）沉積在石墨烯表面，構(gòu)建金納米顆粒修飾的石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管生物傳感器。將PNA探針通過(guò)化學(xué)共價(jià)鍵固定在AuNPs表面，加入miRNA與PN

8、A探針雜交，通過(guò)檢測(cè)該石墨烯FET生物傳感器雜交前后電信號(hào)的變化就可以來(lái)檢測(cè)miRNA。該石墨烯FET生物傳感器對(duì)miRNA的檢測(cè)限可低至10 fmol/L，且該生物傳感器能夠區(qū)分互補(bǔ)miRNA、非互補(bǔ)miRNA和單堿基錯(cuò)配的miRNA。此外，本章還嘗試將該具有高靈敏度和高選擇性的石墨烯 FET生物傳感器用于血清樣品中miRNA的檢測(cè)，結(jié)果表明該石墨烯FET生物傳感器也能用于實(shí)際樣品的檢測(cè)。相信該方法為miRNA的檢測(cè)將提供一種新型的檢