叉指微电极器件上的核酸分子超灵敏电检测研究

DNA based bio-analysis is important in the fields of molecular diagnostics, environmental and food safety monitoring, pathogen identification, forensic sciences, etc. In this project, we are developing a quantitative and ultra-sensitive electronic biosensor displaying a DNA recognition thanks to the silicon dioxide surface modificated with appropriate molecular probes. For this purpose, a new system and technology of self-assembling monolayer aimed to molecule recognition for specific capture of cancer cells or biomarker molecules of certain cancers would be designed and developed. The detection device lies on interdigitated array microelectrodes, fabricated by using semi-conductor technology; it is activated then by silicon chemistry to form a monolayer of molecules with active groups, which are labile to produce a biologically functional surface. The interactions of PNA-DNA will be also investigated for better selectivity of target biomolecules. In order to reduce the noise interference during the process of electrical detection, a new system of metal ion reduction catalyzed by enzymes or artificial enzymes would be introduced to this interdigitated array microelectrodes biosensor, the advantages of this new system includes the production of metal nanoparticles in a steady and controlled way, under the conditions of room temperature、atomsperic pressure and non-pasterized solvents. By so doing, the fast、high selective and ultrasensitive detection of DNA molecules can be realized, which would be used in disease diagnostics at the molecular level. After integration of this detection device with microfluidic channels, a real time、fast、 in vivo、 high selectivity biosensor for biomarker of certain disease e.g cancer would be achieved.

用电学方法在纳米器件上检测生物分子是一种新兴的检测技术，但是高的背景噪音干扰一直是一个未解决的科学问题。本项目拟通过开展基于硅基质叉指阵列微电极纳米器件的核酸分子超灵敏检测研究;致力于探讨叉指阵列微电极器件微纳界面的可控自组装体系及其与核酸分子的相互作用，及其对核酸分子检测和对分子诊断的影响；设计具有分子识别功能导向的自组装新体系和新技术、构建特异性识别生物标记物的多功能纳米结构。研究电检测方法中普遍存在的噪音干扰问题，从理论上来探索噪音的产生根源和解决的办法。利用新型生物酶（人工酶）体系还原金属离子，实现金属纳米粒子在常温常压条件下的可控及稳定生成，达到消除背景噪音的目的，从而实现对核酸分子的高选择性、超灵敏检测。这项研究因而具有十分重要的理论意义。并在此基础上，采用先进的微加工技术将建立的新方法集成于智能化微阵列中，实现核酸分子的特异性识别和超灵敏检测。

叉指阵列微电极(IDAM)在电检测芯片中占据极其重要的位置，它包含一对微带电极阵列，每个阵列由多个宽度和间距为微米级甚至纳米级的指电极并联组合而成，电极之间相互啮合形成叉指状电极阵列，IDAM具有较高的灵敏度，可以缩短检测时间，提高信噪比，减少样品使用量，易于实现设备小型化，生产成本低，可以批量生产等优点。本项目基于硅基质采用IDAM纳米器件对核酸分子进行超灵敏检测研究，通过一年的研究我们主要取得以下成果：.1. 已经设计和制造出了合适的IDAM；.2. 采用IDAM纳米器件实现了对金纳米粒子的检测，结果表明该器件具有100 GΩ的检测能力；.3. 利用荧光的方法研究硅烷试剂3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTS)活化后的器件表面与生物分子探针的相互作用，结果表明所选用的硅化剂可以成功地实现器件表面的活化，并且可以通过这种方法将核酸分子固定于器件的二氧化硅表面。.4. 研究了IDAM纳米界面上生物分子-生物分子(核酸-核酸)的相互作用，在IDAM上通过硅烷试剂活化硅基表面，并将探针分子修饰到体系中，用于目标核酸分子的捕获及检测，结果表明IDAM可以实现对不同核酸样品的低噪音、超灵敏电检测；.5. 研究了在碱性磷酸酶生物催化剂作用下金属纳米粒子的可控生成条件和金属纳米线的形成对背景噪音的消除和生物样品检测灵敏度的影响，结果表明低浓度的碱性磷酸酶在含1 mM Mg2+的50 mM的pH 7.4的Tris-HCl中，37℃下催化12小时，可以达到最佳的催化效果，且金属纳米线的形成有利于降低背景噪音并提高生物样品的检测灵敏度；. 为了进一步研究IDAM对生物分子的检测分析，我们试图结合电化学方法来对IDAM上的生物分子进行检测，以期改进器件的设计，达到更简便，灵敏度更高的检测效果，对于建立基于纳米生物技术的新型电检测及电化学检测生物传感系统，进而探索该生物传感系统在高灵敏疾病诊断及环境监测等方面的应用具有重要的实际意义。