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2. 芯片上细菌培养基用于培养细菌,通过流体和电气连接提供生长细菌所必须的营养物质。
这种芯片上细菌培养基是一个模块,包括一个安装于PCB上的面积约为1 × 1英寸的微流体芯片,以及电气和流体接口。整个模块被置入一个盒子,和电过滤模块一样,用于浓缩大量流体。
DNA排序
几乎每种医疗难题和每种疾病的根源都来自DNA的不规则排序。DNA有四种碱基A、T、G、C,它们以不同的顺序重复排列。人类所有细胞的序列都不随时间变化。相关的DNA信息被转译成蛋白质,蛋白质又执行不同的功能。排序突变可能会导致疾病,如癌症。因此获得DNA序列的信息很重要。Bashir领导的小组再次应用硅相关的纳米技术,检测DNA分子短链的序列。
将
电子束光刻、电子束诱导融化氧化层以及聚焦离子束(FIB)结合运用,在氧化硅膜中形成纳米孔沟道。将最小直径分别为5到20 nm的一条沟道放置在硅芯片上的薄膜中。该薄膜隔开两部分流体,这两部分之间的唯一路径是纳米沟道。当一个DNA分子放入流体,如磷酸盐缓冲液溶液,它带一个单位负电荷。因此,当在带负电的流体上施加电场时,DNA会朝着正电极移动,该现象称作DNA的电泳(图3)。

3. DNA分子流过位于两块薄膜之间20 nm的纳米孔沟道(TEM),并在沟道中被识别(示意图)。
为提高这种技术的选择性,研究人员利用DNA的一种重要性质——互补链结构。也就是可以用其互补链识别某个序列。碱基A与碱基T配对,而碱基G与碱基C配对。因此,若某个未知序列与一个称为检测序列的互补序列配对,则可以识别这个未知序列。
将DNA的短序列粘附到纳米沟道的内部,该沟道呈圆柱形,两边为二氧化硅,其上附有检测分子。未知DNA置于薄膜的一侧,在薄膜两侧施加5-300 mV的电压。单个DNA会穿过沟道,沟道的直径足够小,一次只允许一个分子穿过。
当目标DNA没有穿过沟道、来自氯化钾培养基的离子流过沟道时,可测量到大小为几十到几百皮安的电流。但是,特定的DNA穿过沟道时,它会截断背景离子电流。这时出现一个下降脉冲,表明电流突然下降。电流的扰动代表分子的运输。Bashir小组发现在这些功能性纳米沟道中,可通过上述迁移事件的脉冲宽度来确定目标DNA链的序列。当脉冲宽度较短时,附在纳米沟道内部的分子可以识别目标分子。
这种方法与直径约为10 µm的细胞的计数方法很相似。但是,使这种技术功能强大的原因是纳米孔沟道具备更强的选择性。这是有关单分子固态硅基DNA传感器的第一次报道,这种传感器利用具有选择性和提供选择性和序列信息的纳米沟道。
利用硅工艺开发生物诊断工具前路漫漫。LIBNA将不断有新的研究出现,比如芯片上的绝缘体上硅(SOI)晶体管,用于探测DNA和蛋白质,以及附有能捕获目标病毒的抗体的硅悬臂。所有这些都展示了一个前景光明的领域,该领域对快速、简单和易操作的探测器的要求引起人们越来越多的兴趣。