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)能與阿波羅登月計劃媲美的人類基因組計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)，它以其簡便、快速、靈敏的優(yōu)勢，成為臨床診斷的技術(shù)熱點，但是PCR技術(shù)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(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，研制了各種各樣的生物傳感器，從酶傳感器發(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(fā)展前景。

本研究以場效應(yīng)管傳感器為基體傳感器，通過設(shè)計場效應(yīng)管柵區(qū)自組裝單分子膜技術(shù)，設(shè)計雜交指示劑，建立DNA場效應(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場效應(yīng)管傳感器由敏感元件、加熱元件、測溫元件等集成而成。

敏感元件有漏極（D）、源極（S）和柵極（G，生物敏感柵）組成，測溫元件為測溫二極管。

2　工作原理

DNA場效應(yīng)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(shù)，DNA傳感器工作原理見圖2。

在場效應(yīng)管的柵區(qū)，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(dá)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(dá)出來。定量原理如下：

場效應(yīng)管在飽和區(qū)的閾電壓為：

VT=VD-2ID/β1/2

當(dāng)待測物分子與敏感柵作用時，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保持恒定時的漏電壓表示出來。

DNA場效應(yīng)管傳感器把生物敏感柵的敏感特性和場效應(yīng)管的場致響應(yīng)結(jié)合起來，其作用機理是分子生物學(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)計及敏感柵的制備

基體傳感器的設(shè)計：

選用P型硅材料，芯片面積2×2mm2，溝道長度為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、自組裝工藝等三個環(huán)節(jié)，其實質(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

為了提高檢測靈敏度，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。無論哪一種結(jié)合都會使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)計新型雜交指示劑，一方面要設(shè)計雙嵌合劑、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，有利于在外電場作用下電子在鍵中的傳遞。

5　信號測量系統(tǒng)的設(shè)計

為了自動測量DNA傳感器輸出特性，設(shè)計以微型計算機為主體的測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一臺IBM-AT微機、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、測試、顯示及打印特性曲線等功能，并建立多道測量技術(shù)，以提高檢測的可靠性。

6　結(jié)語

DNA場效應(yīng)管傳感器探測的是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，甚至pg級。由于該傳感器采用半導(dǎo)體集成技術(shù)制備，可實現(xiàn)陣列化，并可實現(xiàn)多基因的同步檢測。據(jù)此，加強DNA場效應(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。