專利名稱：一種以適配體作為分子識別元件的碳納米管晶體管生物傳感器及其用于檢測靶材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有適配體的碳納米管晶體管生物傳感器及其用于 檢測輩巴材料的方^;,更具體地說涉及一種通過利用DNA適g,己體識別特定
蛋白質(zhì)的碳納米管晶體管生物傳感器，其中所述特異性結(jié)合于特定蛋白質(zhì) 的適配體凈皮吸附于構(gòu)成所述石灰納米管晶體管溝道區(qū)的石炭納米管上，以便于 當(dāng)所述蛋白質(zhì)暴露于相應(yīng)適配體時，根據(jù)所述碳納米管導(dǎo)電率的變化檢測 /鑒定特定蛋白質(zhì)，以及利用上述生物傳感器篩選特定分子的方法。
背景技術(shù)：
通常，碳納米管(CNT)是地球上蘊(yùn)藏豐富的碳的同素異形體。CNT 為管狀的材料，其中一個碳原子結(jié)合于另一個碳原子，從而形成六邊形的 蜂窩結(jié)構(gòu)。由于CNT管的直徑為幾納米(nm= 1/1000000000),因此其也 是極其微小的材料。
碳納米管通常具有優(yōu)異的機(jī)械性能、電學(xué)性能、放電電場能力和高效 的儲氫性能。人們將其認(rèn)為是幾乎沒有缺陷的接近完美的材料。碳納米管 可以通過先進(jìn)的合成技術(shù)而制造，例如放電法、熱解法、激光介導(dǎo) (laser-mediated)真空蒸發(fā)法、等離子體化學(xué)蒸發(fā)法、熱化學(xué)蒸發(fā)法、電 解法和燃燒法。
在實(shí)際應(yīng)用中，》灰納米管幾乎可以應(yīng)用到所有領(lǐng)域，包括航空、生物 工程、環(huán)境能源、材料工業(yè)、藥物、醫(yī)藥藥品、電子計算機(jī)、安全等諸如 此類的領(lǐng)域。例如碳納米管晶體管就是碳納米管的產(chǎn)品之一 。
碳納米管晶體管由源極、漏極和柵極所組成，其中其溝道區(qū)由碳納米 管制成。
構(gòu)成上述碳納米管晶體管溝道區(qū)的碳納米管具有如下幾個優(yōu)點(diǎn)首 先，在保持半導(dǎo)體或金屬性能的同時，其具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，因
而具有高效的熱輻射。進(jìn)一步，碳納米管為輕質(zhì)的，但其具有的機(jī)械強(qiáng)度
應(yīng)，其能夠使電子元件非常穩(wěn)定地工作。因此，研究人員們一直專注于開 發(fā)新的實(shí)用的元件，并于近幾年努力向醫(yī)藥及生物技術(shù)領(lǐng)域延伸。 ，
由于當(dāng)前老齡化社會的趨勢和全世界范圍內(nèi)人們壽命的延長，人們逐 漸意識到如何實(shí)現(xiàn)個人健康生活的重要性。相應(yīng)地，人們一直強(qiáng)調(diào)對于諸 如癌癥和其他威脅生命的重大疾病早期診斷的必要，因此一直迫切需要開 發(fā)一種在認(rèn)為需要的時候能夠經(jīng)常用于醫(yī)學(xué)狀況的自我診斷的醫(yī)療設(shè)備/ 儀器，并且要求具有成本低、用時短的優(yōu)點(diǎn)。在此背景下非常重要的是提 供一種在人體血清、尿液及類似物中檢測和鑒定任何諸如蛋白質(zhì)、肽、氨
基酸禾;有機(jī)/無機(jī)化合物的特定分子的方法。'
許多研究人員一直在努力開發(fā)新穎的診斷及治療技術(shù)，并且全球性的 人類基因組計劃的完成所得到的豐富的生物信息正在與納米技術(shù)相結(jié)合。 特別地，人們正在利用碳納米管和半導(dǎo)體納米線的電學(xué)特性，將二者用于 制造高敏感度的生物傳感器。
至今，在生物傳感器市場中，利用抗原抗體反應(yīng)的診斷傳感器已占據(jù)
主流。由于抗原抗體反應(yīng)在i貪斷疾病的準(zhǔn)確性上具有優(yōu)越的特異性，使其
成為極具價值的手段，但以上方法對由蛋白質(zhì)構(gòu)成的抗體卻存在缺陷。具 體地說，由于某些抗體需要非常復(fù)雜的培養(yǎng)及合成條件，因此很難形成。
于商業(yè)使用時由于價格昂貴也很難得到廣泛使用。
進(jìn)一步，由于存在穩(wěn)定性問題，利用抗原抗體反應(yīng)的生物傳感器在其 有效分布長度方面非常受限。蛋白質(zhì)的不穩(wěn)定性會增加單位生產(chǎn)率的成 本，并且也會在診斷傳感器的使用過程中發(fā)生錯誤。 '
因此，這就需要開發(fā)新的具有優(yōu)異的穩(wěn)定性和成本效益的診斷傳感 器，同時具有優(yōu)異的底物特異性，相當(dāng)于或甚至好于抗體。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明成功地提供一種使用適配體的碳納米管晶
體管生物傳感器，其中所述適配體，即對蛋白質(zhì)具有高親和力的單鏈DNA (或RNA)寡聚物，作為探針吸附于構(gòu)成所述碳納米管晶體管溝道區(qū)的碳 納米管表面上以檢測靶材料，即特異性結(jié)合于所述適配體的特定蛋白質(zhì)；
以及利用所述碳納米管晶體管生物傳感器篩選靶材料的方法。
因此，在本發(fā)明一實(shí)施例中，提供一種使用適配體的碳納米管晶體管 生物傳感器，其中所述適配體為特異性結(jié)合于一些分子(例如蛋白質(zhì)、肽、
氨基酸、有機(jī)/無機(jī)化合物)的單鏈DNA/RNA寡聚物，其吸附于具有長的 彈性散射長度和相分散距離的 一維導(dǎo)電碳納米管上，以便于當(dāng)所述特定蛋 白質(zhì)結(jié)合于相應(yīng)適配體時，通過變化的碳納米管電阻來檢測/鑒定特定蛋白 質(zhì)的存在。
在本發(fā)明另 一 實(shí)施例中，提供 一 種利用以上碳納米管晶體管生物傳感 器篩選靶材料的方法。


通過下面結(jié)合附圖的詳細(xì)描述，本發(fā)明的上述及其他目的、特征和其 他優(yōu)點(diǎn)將得到更加清楚的理解。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的使用DNA適配體和碳納米管晶體管的生物傳感 器的全景圖； -
圖2是在根據(jù)本發(fā)明的使用DNA適配體和碳納米管晶體管的生物傳 感器的一優(yōu)選實(shí)施例中，當(dāng)適配體與凝血酶反應(yīng)時晶體管電流的變化圖3是在根據(jù)本發(fā)明的使用DNA適配體和碳納米管晶體管的生物傳 感器的 一優(yōu)選實(shí)施例中，當(dāng)適配體與凝血酶反應(yīng)時晶體管電流的實(shí)時變化 圖；以及
圖4是根據(jù)本發(fā)明與凝血酶反應(yīng)后元件的AFM圖。
具體實(shí)施例方式
在一個優(yōu)選的實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種使用適配體的碳納米管晶體 管生物傳感器，其包括具有源極、漏極、柵極和構(gòu)成溝道區(qū)的碳納米管 的碳納米管晶體管；作為識別元件，固定于所述碳納米管表面上的DNA 適配體；以及將所述適配體固定在所述碳納米管上的連接物(linker )。
優(yōu)選地，由多個碳納米管所構(gòu)成的所述溝道由單壁碳納米管或多壁碳 納米管制成。
優(yōu)選地，由多個碳納米管所構(gòu)成的所述溝道可以從具有優(yōu)異的晶體管 特性的各種金屬氧化物納米線和半導(dǎo)體納米線所構(gòu)成的組中選擇。
在本發(fā)明中，所述構(gòu)成溝道的納米線可以將一個適配體用作為分子識別元件，而不論其類型。
優(yōu)選地，所述納米線的直徑小于50nm。更優(yōu)選地，所述單壁^^納米 管可以是直徑小于2nm的碳納米管，所述多壁碳納米管可以是直徑小于 50nm的碳納米管。
優(yōu)選地，用以將所述適配體固定在碳納米管表面上的材料為至少一種 選自芘和任一其他與所述碳納米管具有高親和力的分子。
更優(yōu)選地，所述粘合材料的一疏水部分吸附于所述碳納米管上，而所 述固定材料的其他部分共價鍵合于所述適配體。
在其他優(yōu)選的實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種利用所述生物傳感器檢測靶 材料的方法，其包括如下步驟
(a) 制造碳納米管晶體管，其中將適配體固定在構(gòu)成所述碳納米管晶 體管溝道區(qū)的碳納米管上，以提供將所述適配體結(jié)合于靶材料的結(jié)構(gòu)；
(b) 在特異性結(jié)合于所述適配體的所述靶材料暴露于所述適配體的情 況下，測量所述碳納米管導(dǎo)電率的變化；以及
(c) 基于導(dǎo)電率的變化檢測/鑒定所述靶材料。
優(yōu)選地，所述靶材料為從蛋白質(zhì)、肽、氨基酸、核苷酸、藥物、維生 素、有機(jī)化合物和無才幾化合物及類似物所組成的組中選擇的至少 一種材料。
以下參照附圖對本發(fā)明進(jìn)行更清楚地描述。
圖l是根據(jù)本發(fā)明的使用DNA適配體和碳納米管晶體管的生物傳感 器的全景圖。
本發(fā)明生物傳感器的主要特征是通過固定DNA適配體于碳納米管表 面上來改變碳納米管晶體管。因此，本發(fā)明的生物傳感器保持了優(yōu)異的靈 敏度，從而能夠甚至識別出單個病毒粒子、小的有機(jī)分子和單個蛋白質(zhì)， 甚至能夠測量出相對低的特定分子濃度，進(jìn)一步，可以選擇性地分類特定 分子。
如上所述，碳納米管晶體管IO像傳統(tǒng)晶體管一樣，由源極12、漏極 14和柵極16構(gòu)成，但是所述晶體管的溝道區(qū)由碳納米管18所提供。
在所述碳納米管晶體管的基本結(jié)構(gòu)中，通過使用固定材料22將DNA 適配體20固定在所述碳納米管18的表面上。
所述適配體20是能夠特異性結(jié)合于特定分子(例如蛋白質(zhì)、肽、氨
基酸和有機(jī)/無機(jī)化合物)妁單鏈DNA或RNA寡聚物。預(yù)期其可以替代 在生物化學(xué)特性上有缺陷的抗體。所述適配體具有保持固有親和性、特異 性和選擇性的優(yōu)點(diǎn)，其能夠滿足用戶在生物技術(shù)領(lǐng)域識別特定分子的需 要。
優(yōu)選地，將所述適配體20固定在所述碳納米管18表面上的材料22 可以是對所述碳納米管18具有親和力的交聯(lián)劑。由于所述碳納米管18的 疏水性，所述交聯(lián)劑的一疏水部分吸附于所述碳納米管18上，而所述交 聯(lián)劑的其他部分則共^HA合于所述適配體20。
更優(yōu)選地，將所述適配體20固定在所述碳納米管18表面上的所述材 料22可以^芘，以及進(jìn)一步地從對所述碳納米管具有高親和力的任意其 他分子中選擇。 '
優(yōu)選地，由所述碳納米管18構(gòu)成的溝道區(qū)可以由單壁碳納米管或多 壁碳納米管制成。
更優(yōu)選地，所述單壁碳納米管可以是直徑小于2nm的碳納米管，并且 所述多壁碳納米管可以是直徑小于50nm的石友納米管。
如以上所闡述的，如果所述適配體20吸附于所述-灰納米管晶體管10 中的碳納米管18的表面上時，所述適配體20能夠用以檢測靶材料。換句 話說，當(dāng)靶材料結(jié)合于相應(yīng)適配體20時，通過測定所述碳納米管18導(dǎo)電 率的變化可以鑒定所述靶材料。
優(yōu)選地，與適配體20結(jié)合的所述靶材料可以從蛋白質(zhì)、肽、氨基酸、 核苦酸、藥物、維生素、有機(jī)化合物、無機(jī)化合物及類似物所組成的組中 選擇。
因此，當(dāng)特定蛋白質(zhì)結(jié)合于所述相應(yīng)適配體20時，通過測量所述碳 納米管18的電變化，能夠很容易地檢觀'J/鑒定靶材料，尤其是可以鑒定特 定蛋白質(zhì)是否存在。
例子
在如下例子中將會對本發(fā)明實(shí)際和現(xiàn)有優(yōu)選的實(shí)施例進(jìn)行闡述。
然而應(yīng)了解，本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員在理解本發(fā)明內(nèi)容的基礎(chǔ)上可
以在例子中進(jìn)行修改或改進(jìn)。
為了識別出特定分子，特異性結(jié)合于所述分子的適配體通過連接物吸
附于碳納米管的表面上，所述碳納米管構(gòu)成碳納米管晶體管的溝道區(qū)。在 實(shí)際中，利用對碳納米管具有高親和力的芘將所述適配體固定在所述碳納 米管上。
具體地說，將芘的一端吸附于所述碳納米管上，而芘的另一端與所述 適配體反應(yīng)以將所述適配體固定在所述碳納米管上。
然后，凝血酶，即參與血液凝結(jié)的蛋白酶，與芘所固定的所述適配體
起反應(yīng)，并對其進(jìn)行檢驗(yàn)以測量反應(yīng)前后的電變化。圖3示出了晶體管中
電流的實(shí)時測量結(jié)果。
具體地-說，將源4及-漏極電極的偏壓預(yù)置為IV, 4冊才及電壓為變化的。 圖3示出了所述柵極的測量結(jié)果藍(lán)線代表與芘反應(yīng)的數(shù)值；綠線代表適 酉,己體的數(shù)值；以及黃線代表凝血酶的數(shù)據(jù)。，結(jié)果中可以看出，在固定所 述適配體后電壓向右移動，這是由于含有負(fù)電荷的DNA適配體的主《連 (backbone)導(dǎo)致的摻雜效應(yīng)所致。
圖4說明了通過以下步驟獲得的實(shí)時觀察圖(1)利用羰基二咪唑-吐溫20 ( CDI-tween20 )作為固定材料將所述適配體吸附在碳納米管上； 以及(2)凝血酶與所述適配體反應(yīng)。圖4示出了反應(yīng)后元件的AFM圖。
因此，可以確認(rèn)，就在凝血酶對所述適配體起反應(yīng)后所述,灰納米管晶 體管中的導(dǎo)電率下降。
如以上所確認(rèn)的，如果用于檢測與特定疾病相關(guān)的特定蛋白質(zhì)的識別 元件吸附于碳納米管表面上，那么存在于血液中的所述特定蛋白質(zhì)則可以 在該表面上與所述識別元件結(jié)合，從而改變所述碳納米管的導(dǎo)電率。然后， 計算出感應(yīng)該電變化的最終電信號，以檢測/鑒定所述特定蛋白質(zhì)將其作為 該疾病的4示識。
工業(yè)應(yīng)用
正如以上所i兌明和確i人的，根據(jù)本發(fā)明的利用DNA適配體的石友納米 管晶體管生物傳感器以及將其用于篩選靶材料的方法，可以獲得優(yōu)異的效 果即當(dāng)特定蛋白質(zhì)暴露于吸附在碳納米管表面上的相應(yīng)適配體時，通過 碳納米管中導(dǎo)電率的變化很容易地檢測/鑒定出特定蛋白質(zhì)是否存在，吝中 所述碳納米管構(gòu)成碳納米管晶體管的溝道區(qū)。
這種使用本發(fā)明生物傳感器的電測量方法能夠甚至以低成本應(yīng)用于 構(gòu)造集成系統(tǒng)及便攜式診斷系統(tǒng)。此外，其優(yōu)點(diǎn)還在于可以促進(jìn)納米生物 傳感器的發(fā)展。
特別地，由高靈敏度碳納米管和選擇性DNA適配體構(gòu)造的生物傳感 器能夠檢測/鑒定出在血液及其類似物中諸如蛋白質(zhì)、肽、氨基酸和有機(jī)/ 無機(jī)化合物的特定分子是否存在，從而用于疾病的早期診斷和有效治療。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該理解，為了實(shí)現(xiàn)與本發(fā)明相同的目的，在
例的基礎(chǔ)。
權(quán)利要求
1.一種利用適配體的碳納米管晶體管生物傳感器，包括(a)碳納米管晶體管，其包括源極、漏極和柵極，其中其溝道區(qū)由碳納米管構(gòu)成；(b)用于分子識別的DNA適配體，其固定在所述碳納米管表面上，以及(c)連接材料，用以將適配體固定在所述碳納米管表面上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的一種利用適配體的碳納米管晶體管生物傳感器， 其中由所述碳納米管構(gòu)成的所述溝道由卑壁碳納米管或多壁碳納米管制成o ,
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的一種利用適配體的碳納米管晶體管生物傳感器， 其中由所述碳納米管構(gòu)成的所述溝道為具有優(yōu)良晶體管特性的各種金屬 氧化物納米線或半導(dǎo)體納米線。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3的一種利用適配體的碳納米管晶體管生物傳感器， 其中構(gòu)成所述溝道的所述納米線將所述適配體作為分子識別元件，而不論 其類型，所述納米線的直徑優(yōu)選小于50nm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2的一種利用適配體的碳納米管晶體管生物傳感器， 其中所述單壁碳納米管的直徑小于2nm,所述多壁碳納米管的直徑小于 50nm。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1的一種利用適配體的碳納米管晶體管生物傳感-器， 其中將所述適配體固定在所述碳納米管表面上的所述連接材料選自芘和 任意其他對所述碳納米管具有高親和力的分子。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1或6的一種利用適配體的碳納米管晶體管生物傳 感器，其中所述連接材料的一疏水部分吸附于所述碳納米管上，而所述連 接材料的其他部分共價鍵合于所述適配體。
8. —種利用權(quán)利要求1所述的生物傳感器檢測靶材料的方法，包括(a) 制造碳納米管晶體管，其中將適配體固定在構(gòu)成所述碳納米管晶 體管溝道區(qū)的碳納米管上，以提供所述適配體結(jié)合于靶材料的結(jié)構(gòu)；(b) 在特異性結(jié)合于所述適配體的所述靶材料暴露于所述適配體的情 況下，測量^灰納米管導(dǎo)電率的變化；以及(c) 基于導(dǎo)電率的變化檢測/鑒定所述靶材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求6的一種利用權(quán)利要求1所述的生物傳感器檢測萃巴 材料的方法，其中所述靶材料為從蛋白質(zhì)、肽、氨基酸、核苦酸、藥物、 維生素、有機(jī)化合物和無機(jī)化合物組成的組中選擇的至少一種材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有適配體的碳納米管晶體管生物傳感器及其用于檢測靶材料的方法，更具體地說涉及一種通過利用DNA適配體識別所述靶材料，也就是諸如蛋白質(zhì)、肽、氨基酸和有機(jī)/無機(jī)化合物的特定分子的碳納米管晶體管生物傳感器，以及利用上述碳納米管晶體管生物傳感器篩選靶材料的方法。在本發(fā)明所述的生物傳感器中，所述特異性結(jié)合于特定蛋白質(zhì)的適配體吸附于構(gòu)成所述碳納米管晶體管溝道區(qū)的碳納米管上，以便于當(dāng)所述特定蛋白質(zhì)暴露于相應(yīng)適配體時，通過變化的碳納米管導(dǎo)電率來檢測/鑒定特定蛋白質(zhì)。
文檔編號G01N33/50GK101194162SQ200580050014
公開日2008年6月4日 申請日期2005年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月28日
發(fā)明者元基勛, 孔基正, 崔榮珉, 張賢珠, 李貞旿, 柳炳煥, 蘇惠美, 金容丸 申請人:韓國化學(xué)研究院