专利名称：一种用于dna分子检测的延长栅场效应晶体管传感芯片的制作方法
技术领域：
本发明属核酸检测领域，特别是涉及一种能检测DNA分子的微小检测传感芯片， 该传感芯片利用带有延长栅的场效应晶体管(FET)技术，能简单快速地检测出目标DNA分子。
背景技术：
进入21世纪以来，伴随着生物技术的迅速发展，电子技术与生物技术相结合诞生 了生物芯片，这是一种革命性的成果。目前使用生物芯片技术进行DNA检测分析已经在分 子生物学、医学、临床应用上变得日益成熟起来。生物芯片的关键技术在于其对DNA分子之 间杂交过程的检测和量化。大多数DNA芯片的制备是基于荧光标记的核酸分子与被固定的 探针进行杂交的光学检测方法，而利用电信号与生物信号结合的电化学传感检测杂交过程 的方法也变得重要起来。通过与半导体技术的结合，场效应晶体管(FET)传感器已被广泛 应用于生物检测分析。与较为传统DNA芯片使用荧光标记的方法比较，FET栅极传感芯片 不需要使用标记的试剂和遮光盒，简化了操作步骤，节约了检测成本。为此，本发明将FET的栅极延长一定距离，提出了一种全新的以金平板电极为延 长栅极的FET传感芯片，用于DNA分子的电化学检测，在生物医学、制药工程、农业与环境科 学等凡与生命活动有关的领域中均具有非常重要的应用前景。

发明内容
本发明的目的是提供一种全新的以金平板电极为延长栅极的FET传感芯片，该传 感芯片是一种能简单、快速检测目标DNA分子的微小检测装置。为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是利用化学反应将含巯基基团的分 子自组装在作为场效应晶体管延长栅的金平板电极上，为检测某种特定的DNA分子，将含 有与其互补的DNA片段通过硫醇分子的桥连作用自组装在延长的金电极板上，以此完成 DNA探针的固定，从而完成延长栅场效应晶体管传感芯片的制备。如果检测样品中含目标 DNA分子，目标DNA分子便会通过杂交与互补的DNA片段结合，此时可通过电信号的探测捕 获到延长金电极板上的杂交过程，并以此计算出在传感器的单位面积上发生杂交的DNA分 子数。本发明涉及的具体装置包括一个带有延长栅(栅极延长0. l_40mm，此为金平板 电极，规格长和宽边长为0. 2-1. Omm)的场效应晶体管，一个内置饱和KCl溶液的Ag/AgCl 参比电极，以及检测晶体管各参数用的电子设备。所述延长栅场效应晶体管包括两个部分 一个用于固定DNA探针的延长栅金平板电极；另外就是把发生在金电极上的杂交过程转化 成电信号的FET部分。其中在FET延长栅传感区域上的金基质是在SiO2基底层上溅射一 粘附层的铬(20-200nm)，随后是一层镍铜合金层(IOO-IOOOnm)，最后是一层金(30-300nm， 且金表面非常平整)的顺序所构成。FET部分中的栅绝缘体由通过湿式氧化上的SiO2层及 其上方通过化学气相沉积上的Si3N4层所组成。栅极终端与金电极部分则由金属铝线连接。FET部分由硅胶密封以达到屏蔽和绝缘作用的效果。在装置的发明设计上，其创新之处在于与传统FET不同的是将栅极延长一定距离 (0. l_40mm)，构建延长栅金电极，利用延长栅金电极探测DNA分子，并可到达每IOOnm2检测 到1-10个DNA分子的水平。通过在延长栅上进行化学修饰，到达固定DNA探针的目的。并 使用FET来监测延长栅上传输来的电信号变化，它包括硫醇分子自组装的过程和DNA分子 杂交的过程。而且还可以通过电信号参数来计算出发生杂交的DNA分子数。与大多数DNA 芯片使用荧光标记的方法比较，FET延长栅传感芯片不需要使用标记的溶剂和遮光盒，作为 一种微型生物传感器具有十分重要的临床应用价值。本发明的有益效果是，装置简单，操作简便，可以准确地测定出金基质表面上的 DNA分子个数，通用性强。


下面结合附图对本发明进一步说明。图1是延长栅FET传感器的平面结构示意图。图2是延长栅金平板电极基底的刨面效果示意图。图2中1-金层；2-镍铜合金层；3-铬层；4_Si02层。
具体实施例方式如图1所示，以FET延长栅的金平板电极部分作为工作表面来制备所述的传感芯 片，FET部分则用于检测DNA分子杂交过程的电信号变化。本发明使用的施加电压为20_200mV直流电压，参比电极为内置饱和KCl溶液的 Ag/AgCl参比电极，FET的电子特性参数如栅极电压(Ve)、漏电流(Id)将在硫醇分子和DNA 分子自组装在金基底上后进行测量。具体实施步骤如下首先准备以下溶液体系及寡聚核苷酸分子(备用)1. Na2SO4 溶液0. IOmol/L ；2. TE 缓冲溶液由 IOmmol/L 的 Tris-HCl 加 1. Ommol/L 的 EDTA 溶液配制，pH = 7.4；3. TE-NaCl 缓冲溶液用 1. Omol/L 的 NaCl、10mmol/L 的 Tris-HClU. Ommo 1/L 的 EDTA溶液配制，pH = 7.4 ；4. DNA探针是已巯基化的HS-ssDNA的结构，其碱基序列是含HS-(CH2)2-基团的 5‘-CACGACGTTGTAAAACGACGGCCAG(Pl)；目标 DNA 的单链碱基序列为5，-CTGGCCGTCGTTTTAC AACGTCGTG(P2)。实施例1将金电极浸入到含Ι.Ο-ΙΟΟμπιοΙ/L Pl (HS-ssDNA)分子的TE缓冲溶液中反应 l-12h，完成探针传感芯片的制备过程，得到金-单链DNA分子结构(Au-ssDNA)，并将制备好 的传感芯片浸在0. 10mol/L Na2SO4溶液中进行电子测量。实施例2将Pl修饰后的金电极浸入到含1. 0-100 μ mo 1/L P2分子的TE-NaCl缓冲溶液中
4在50-120°C时反应l_4h，然后将完成了杂交反应的双链DNA分子结构(Au-dsDNA)冷却至 室温，用TE-NaCl缓冲溶液和去离子水冲洗干净，最后用氮气干燥。同实施例1 一样，将完 成杂交的传感芯片浸在0. 10mol/L Na2SO4溶液中进行电子测量。实施例3数据分析通过前两步骤的电信号测量可知，当漏电流在3600 μ A时，组装Pl后的Au-ssDNA 的阀值电压(Vt)向正X轴方向偏移了 69mV。完成杂交反应后的Au-dsDNA的阀值电压(Vt) 向正X轴方向偏移了 47mv。由此可算出由杂交反应引起的Vt改变值为22mv。这是由发生 杂交反应后栅极表面负电荷的减少所致，而导致负电荷减少的原因应该是Pl和与其互补 的目标分子P2发生杂交反应时，磷酸基团的负电荷与寡核苷酸链基脚上的正电荷发生了 中和。通过电化学测量，得出发生杂交后的Au-dsDNA的传感芯片的电容为7. 52X ICT6F/ cm2，因为发生杂交反应前后的Δ Vt = 22mV，由此可计算出杂交后的双链DNA分子的电荷量 为1. 65X10"7C/cm2,可推导出FET延长栅金电极表面上的双链DNA分子密度为1. 714X1012 分子/cm2，相当于在金基底上每IOOnm2可检测到1. 714个DNA分子的水平，表明延长栅型 场效应晶体管能很好的应用于DNA分子的检测，并适用于制成生物传感芯片。
权利要求
一种用于DNA分子检测的延长栅场效应晶体管传感芯片，其特征在于将场效应晶体管(FET)的栅极设计成延长的结构，利用延长栅金电极探测DNA分子。
2.根据权利要求1所述的传感芯片，其特征是将栅极延长0.l-40mm的距离，构建延长 栅金平板电极结构。
3.根据权利要求2所述的延长栅结构，其特征是用常规导线(图示中为铝线，还可以是 铜线、银线等)连接着延长出的金电极，长和宽边长为0. 2-1. 0mm。
4.根据权利要求3所述的金电极结构，其特征是通过溅射镀膜的方法按从下往上的顺 序分别将SiO2层、铬层、镍铜合金层、金层镀上，其中SiO2层为基底，其它层厚度分别为铬 层20-200nm，镍铜合金层lOO-lOOOnm，金层30_300nm，且金表面非常平整。
5.根据权利要求1所述的传感芯片，其特征是利用化学反应将已巯基化的DNA探针分 子自组装在延长栅的金平板电极上，只需反应l_12h，即可自组装上探针分子，从而完成传 感芯片的制备。
6.根据权利要求1所述的传感芯片，其特征是在金平板电极基底每IOOnm2面积上可检 测到1-10个DNA分子。
全文摘要
本发明公开了一种用于DNA分子检测的延长栅场效应晶体管传感芯片，其特征在于将场效应晶体管(FET)的栅极设计成延长的结构。所述延长栅结构特征是用铝线作为导线连接着延长出的金平板电极(边长为0.2-1.0mm)。所述金电极结构特征是通过溅射镀膜的方法按从下往上的顺序分别将SiO2层、铬层、镍铜合金层、金层镀上。传感芯片的制备则是利用含巯基基团的分子，将含有与其互补的DNA片段通过硫醇分子的桥连作用自组装在延长的金电极上，制备成检测DNA分子的传感芯片。应用该传感芯片在金基底每100nm2面积上可检测到1-10个DNA分子。传感芯片结构简单，操作简便，通用性强。
文档编号G01N27/414GK101915799SQ20101022661
公开日2010年12月15日 申请日期2010年7月15日 优先权日2010年7月15日
发明者戴云林, 曹忠, 杨荣华, 谭淑珍, 龙姝, 龚福春 申请人:长沙理工大学