基于微米和纳米结构的寡核苷酸传感器

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1、基于微纳米结构的寡核苷酸传感器【摘要】提出了基于微纳米结构的寡核苷酸检测和量化技术。这种设备的特点使它非常有利于在POC和OST方面的应用。较小的体积使得其更加耐用和便携。它对现代CMOS电子设备的兼容性使其易于构建掌上设备，此外，这种设备可以大规模生产，适合商业化。本文讨论了基于微米和纳米结构传感器的优点，涵盖了发展到目前为止的各种寡核苷酸检测技术。这些包括：体声波和声表面波滤波器、微纳米悬臂式传感器、场效应晶体管、纳米线和纳米孔传感器。本文还对寡核苷酸固定化技术进行了讨论。【正文】一、简介如何简单、灵敏和特异性地检测寡核苷酸序列是生物传感研究领域的一个重大挑战。短链DNA和RNA检测的应用

2、领域包括医药、食品安全、法医学和反恐等。特异性序列或序列谱可用于诊断和监测疾病、识别传染性病原体和鉴定疾病的基因遗传学。现已建立了很多寡核苷酸的检测技术，但都有着明显的缺陷。目前最完善的检测技术是核苷酸微阵列和定量多聚酶链反应（qPCR）。微阵列具有高通量性，一次芯片实验可分析多种核酸序列，但具有灵敏度低和无法检测核酸的绝对浓度等缺点。而qPCR能提供最优的灵敏度和线性范围，但具有低通量性的缺点。并且寡核苷酸标记的复杂性以及对专业技术和设备的高要求限制了其只能集中在研究室使用。寡核苷酸传感器的未来发展与应用主要强调可应用于床边检测（Point-of-Care，POC）治疗和现场检测（On-Si

3、teTesting，OST）的技术，同时减少对集中实验室和专业人员的要求。这样的提高将从根本原因上减轻目前寡核苷酸检测成本高、耗时长的弊端。因此要求寡核苷酸检测技术必须简单、低成本、便携和快速检测。此外，任何潜在的POC或OST寡核苷酸检测技术都需要能够对小体积样品进行检测。这些要求是建立在对目标物质具有足够高的灵敏度、特异性和动态范围的技术上的。微机电系统（MEMS）技术起源于60、70年代，但在过去的15年里取得了突出的成果。微机电系统是指一种微米尺度设备的统称，通常指使用微电子工业的生产技术，如：光刻技术、薄膜沉积、刻蚀和底物结合法等，所制造的三维微米尺度设备。纳机电系统（NEMS）和M

4、EMS类似，只是规模更小。MEMS设备广泛应用于汽车、航空航天、医疗和消费类电子产品行业，同时也被开发作为气体和化学传感器，以及包括寡核苷酸在内的各种生物分子的生物传感检测。二、基于微纳米结构的传感器的优点MEMS和NEMS技术对其再生物传感的应用提供了一些内在的优势。使用微电子工业的生产技术制备的基于微纳米结构的传感器适合批量生产和批量加工处理。这意味着最终产品能够大量生产、具有高均匀度、大规模降低经济成本。MEMS和NEMS的微纳米尺寸是十分有利的。分辨率和灵敏度常与尺寸有关，MEMS和NEMS的微纳米尺寸意味着它们有着极高的灵敏度。基于微纳米结构的传感器的微小尺寸使分析物扩散距离减小，这

5、意味着快速响应，可在几秒至几分钟内得出结果。同时，较小的尺寸使它们非常适合于小至微米和纳米级的小体积样本的检测，可应用于非侵入性POC检测。MEMS和NEMS易于与互补金属氧化物半导体（CMOS）电子元件相互作用——允许传感器协同定位，允许相关输入驱动电子和输出信号在同一个单片机装置或集成装置上。它们还有一个优点就是可平行化，即单个设备上并联多个传感器，在单一设备上检测多种分析物或一种分析物的多参数检测，提高结果的可靠性。基于MEMS和NEMS的传感器具有极高的灵敏度。此外，基于MEMS和NEMS的传感器是非标记性的，其传感机制比大多数需要一定步骤和实验试剂的电子化学和光学技术简单得多。综上，

6、MEMS和NEMS在POC和OST方面有着的应用前景具有很大的吸引力。三、寡核苷酸固定化几乎所有的寡核苷酸生物传感技术都利用了核苷酸杂交——互补碱基之间氢键的相互连接形成核酸序列。这种取决于特定强键的机制大大提高了生物传感器的特异性。识别元件为捕获探针或标记探针。捕获探针是将核苷酸序列固定在传感器表面，通过杂交将相应的分析物固定在表面。标记探针是将带有标记分子（如荧光素）的功能化核苷酸序列，探针和相应的分析物杂交后，通过标记探针对分析物进行间接检测。几乎所有基于MEMS和NEMS的寡核苷酸检测技术都采用捕获探针，它可通过多种技术固定在传感器表面。捕获探针固定方法取决于传感器的表面材料和寡核苷酸

7、检测的形式。最常见的技术是利用巯基对贵金属（比如金）的高亲和力使核苷酸序列固定在传感器表面，作为机械设备的电极或传感区域。捕获探针可通过以下机制进行巯基（-SH）功能化，从而固定在传感器表面：图1.巯基化寡核苷酸在金表面上的固定另一种比较常见的固定方法基于生物素-亲和素相互作用。生物素是一种能与抗生物素蛋白高度密切结合的小分子蛋白质。亲和素可以共价结合到用3,3'-二硫代二丙酸改性的表面上。寡核苷