基于SiNW阵列的生物医学检测用基因传感器研究.pdfVIP

摘要

循环肿瘤DNA（CirculatingTumorDNA,ctDNA）是一种非侵袭性癌症评估的“实时”生

物标志物，在肿瘤诊断、预后和靶向治疗中具有重要价值。目前现有的ctDNA检测方法，存

在一定的局限性：1）高灵敏检测需要高精密昂贵的仪器和复杂的工艺步骤；2）信号转化过

程中易受环境噪声干扰，导致信号检测不稳定；3）生物识别信号微弱，无法有效处理和准确

读取。因此，针对以上问题，本论文提出了一种基于硅纳米线阵列场效应晶体管（Silicon

NanowireArrayFieldEffectTransistor,SiNW-arrayFET）的检测方法，实现对ctDNA的高灵敏

检测。

本文主要研究内容和结果如下：

1、SiNW-arrayFET传感器性能表征。采用扫描电镜和金相显微镜以及数字源表对传感器

进行形貌、传输特性、pH检测表征。结果显示制备的传感器形貌均一，并在液相环境下具有

良好的传输特性和pH检测特性，为后续在液相环境下检测ctDNA奠定基础。

2、构建SiNW-arrayFET生物传感器，实现对肿瘤标志物ctDNA的超灵敏检测。首先制

备聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane,PDMS）反应腔室，再通过3-氨丙基三乙氧基硅烷

（3-Aminopropyltriethoxysilane,APTES）将捕获探针修饰到SiNW表面，实现目标ctDNA检

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测。结果表明，该SiNW阵列生物传感器可以灵敏地检测10aMctDNA，并在1×10~1×

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10M浓度之间具有良好的线性关系。此外，传感器还具有良好特异性、稳定性和重现性，

为ctDNA检测提供新的有效方法。

3、构建基于金纳米粒子（GoldNanoparticles,AuNPs）和滚环扩增（RollingCircle

Amplification,RCA）技术的SiNW-arrayFET生物传感器。优化探针和磷酸盐缓冲液浓度，合

成AuNPs/信号探针复合物，实现信号一级放大。再采用phi29DNA聚合酶促进RCA扩增，

进一步提高传感器信噪比，实现信号二级放大。结果显示，传感器经二级放大后，对10aM

ctDNA的SNR可达10.69dB。此外，传感器还被证实具有良好的特异性，为未来的体外癌症

诊断分析和术后治疗提供了新的信号放大方法。

综上所述，本文研究了两种基于SiNW阵列的生物医学检测生物传感器，并对ctDNA实

现超灵敏检测。实验数据表明，该两类传感器具有良好的灵敏度和特异性，能够为未来癌症

检测提供一种新的方法。

关键词：循环肿瘤DNA，硅纳米线阵列场效应晶体管，生物传感器，金纳米粒子，滚环扩增

ABSTRACT

CirculatingtumorDNA(ctDNA)isareal-timebiomarkerfornon-invasiveevaluationof

cancer,whichhasimportantvalueintumordiagnosis,prognosisandtargetedtherapy.Theexisting

ctDNAdetectionmethodshavecertainlimitations:1)High-sensitivitydetectionrequireshigh-

precisioninstrumentsandcomplexprocesssteps;2)Thesignalconversionprocessisvulnerableto

theinterferenceofenvironmentalnoise,resultinginunstablesignaldetection;3)Biometricsignals

areweakandcannotbeprocessedeffectively