基于石墨烯場效應(yīng)晶體管的核酸生物傳感器研究.pdf

1、核酸分子的檢測可以為分子生物學(xué)研究、遺傳病診斷和環(huán)境監(jiān)測等提供非常有用的信息。雖然目前已有多種檢測核酸分子的方法，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越熱門，這個新興的交叉學(xué)科領(lǐng)域?qū)⒃谏茖W(xué)研究及醫(yī)學(xué)檢測中發(fā)揮越來越重要的作用。
　　生物傳感器是將生物識別元件與適當(dāng)?shù)男盘栟D(zhuǎn)導(dǎo)元件組合在一起用來可逆和選擇性地檢測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別元件（如核酸、抗體、酶、細(xì)胞等）作為生物敏感單元，對目標(biāo)待測物具有高度選擇性的特殊裝置。然后利用信號轉(zhuǎn)導(dǎo)元件將生物信號轉(zhuǎn)換成可以檢測的信號，而實現(xiàn)對待測目標(biāo)物的檢測。
　　納米場效應(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、操作簡單、試劑消耗少等特點，非常適用于生物分子的檢測，可以預(yù)見它在醫(yī)學(xué)檢測中會發(fā)揮越來越大的作用。
　　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、高機械強度等，石墨烯這些獨特的性質(zhì)可用

4、來提高納米 FET生物傳感器檢測的靈敏度和選擇性。
　　本文將納米材料石墨烯應(yīng)用于場效應(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分子，利用核酸-核酸分子雜交的原理和通過檢測雜交前后電信號的變化就可以達到高靈敏度和高選擇性地檢測核酸分子的目的。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）探針固定在場效應(yīng)晶體管生物傳感器上的

6、R-GO表面，通過檢測 PNA-DNA雜交前后電信號的變化進行 DNA的檢測。實驗得到的DNA檢測限可低至100 fmol/L,該靈敏度比已報道的基于DNA-DNA雜交的石墨烯場效應(yīng)晶體管DNA生物傳感器的靈敏度提高了一個數(shù)量級。另外，該R-GO場效應(yīng)晶體管生物傳感器還能夠區(qū)分互補DNA、非互補DNA和單堿基錯配的DNA，具有很好的選擇性。同時，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，表明其作為一個床旁檢測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效應(yīng)晶體管miRNA生物傳感器
　　按上述方法制備石墨烯場效應(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效應(yīng)晶體管生物傳感器。將PNA探針通過化學(xué)共價鍵固定在AuNPs表面，加入miRNA與PN

8、A探針雜交，通過檢測該石墨烯FET生物傳感器雜交前后電信號的變化就可以來檢測miRNA。該石墨烯FET生物傳感器對miRNA的檢測限可低至10 fmol/L，且該生物傳感器能夠區(qū)分互補miRNA、非互補miRNA和單堿基錯配的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，結(jié)果表明該石墨烯FET生物傳感器也能用于實際樣品的檢測。相信該方法為miRNA的檢測將提供一種新型的檢