新型生物傳感器用于篩查唐氏綜合癥

唐氏綜合征是最常見、最高發(fā)的出生缺陷疾病，風(fēng)險(xiǎn)率達(dá)1/700；患兒因多了一條21號(hào)染色體而具有明顯的智力和形體缺陷，給患兒及其家庭，乃至社會(huì)造成沉重負(fù)擔(dān)。為了降低該病患兒出生率，我國(guó)要求對(duì)孕婦進(jìn)行產(chǎn)前篩查，目前國(guó)內(nèi)通用的方法為超聲檢查和孕婦血液標(biāo)志物檢測(cè)，存在準(zhǔn)確率低、誤診率高的問題；而新興的全基因測(cè)序的方法，不僅費(fèi)用昂貴，且用時(shí)過長(zhǎng)，難以在大范圍推廣，因此急需發(fā)展一種快速，低成本且準(zhǔn)確率高的新型篩查方法。近日，北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院電子學(xué)系、納米器件物理與化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張志勇教授課題組利用基于二硫化鉬（MoS2）場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）的生物傳感器，對(duì)新型唐氏綜合征篩查方案展開探索，并取得重要進(jìn)展。

課題組采用化學(xué)氣相沉積（CVD）生長(zhǎng)的大面積、高質(zhì)量、均一的單層MoS2薄膜做溝道材料，所制備的FET陣列電學(xué)性能優(yōu)越（電流開關(guān)比達(dá)106，亞閾值擺幅達(dá)70 mV/DEC）；與此同時(shí)，在FET溝道區(qū)域修飾金（Au）納米顆粒，以連接DNA探針，通過Au和HS-離子的化合反應(yīng)，將適當(dāng)密度的脫氧核糖核酸（DNA）探針連接至金顆粒，該探針DNA就可以捕獲溶液中的待測(cè)DNA，引起器件電流下降。在確認(rèn)FET器件的時(shí)間穩(wěn)定性良好后，進(jìn)行以21號(hào)染色體標(biāo)志性片段為待測(cè)物的DNA靜態(tài)反應(yīng)，并測(cè)試器件電學(xué)性質(zhì)改變；結(jié)果表明，器件可實(shí)現(xiàn)0.1 fM/L的超高檢測(cè)精度和240%的最大響應(yīng)率，綜合這兩項(xiàng)指標(biāo)，為迄今公開報(bào)道的FET DNA傳感器的最佳結(jié)果。

在DNA干擾物測(cè)試中，器件同樣表現(xiàn)出高度特異性；實(shí)時(shí)測(cè)試表明，器件能夠連續(xù)區(qū)分出1 fM/L～1 pM/L的待測(cè)DNA，反應(yīng)時(shí)間僅為400 s。此外，運(yùn)用相同的實(shí)驗(yàn)方案測(cè)試參考DNA（13號(hào)染色體）片段，通過比較所測(cè)得21號(hào)染色體和13號(hào)染色體的濃度，即可判斷是否存在21號(hào)染色體的過表達(dá)，從而推斷胎兒21號(hào)染色體數(shù)目是否異常，最終實(shí)現(xiàn)唐氏綜合征的無創(chuàng)產(chǎn)前檢測(cè)。

基于這項(xiàng)工作的學(xué)術(shù)論文《針對(duì)唐氏綜合征篩查的單層二硫化鉬場(chǎng)效應(yīng)晶體DNA傳感器》（Ultrasensitive monolayer MoS2 field-effect transistor based DNA sensors for screening of Down syndrome）于2019年2月13日在線發(fā)表于《納米快訊》（Nano Letters）；電子學(xué)系2016級(jí)碩士研究生劉靜遐、國(guó)家衛(wèi)生和計(jì)劃生育委員會(huì)科學(xué)技術(shù)研究所助理研究員陳西華、中國(guó)科學(xué)院物理研究所2017級(jí)博士研究生王琴琴為共同第一作者，張志勇和中國(guó)科學(xué)院物理研究所張廣宇研究員為通訊作者。美國(guó)化學(xué)會(huì)官網(wǎng)以《靈敏傳感器檢測(cè)唐氏綜合征DNA》（Sensitive sensor detects Down syndrome DNA）為題，作為最新熱點(diǎn)推介。