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一种利用ZnO 纳米棒提升光寻址电位 传感器检测DNA性能的装置及方法

阅读：547发布：2020-05-08

专利汇可以提供一种利用ZnO 纳米棒提升光寻址电位传感器检测DNA性能的装置及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种利用ZnO 纳米棒提升光寻址电位传感器检测DNA性能的装置及方法，该装置包括：拉第屏蔽箱、装载台、半导体激光器、LAPS传感器、恒压器、锁相放大器、采集卡、计算机。该方法包括：LAPS芯片制作；LAPS芯片表面修饰ZnO纳米棒；LAPS芯片表面修饰探针链DNA，扫描I-V曲线；目标DNA放入检测腔，扫描I-V曲线，对比修饰和未修饰ZnO纳米棒性能，实现了DNA的无标签检测，具有时间短，成本低廉，操作方便，为DNA杂交提供三维位点，灵敏度高等优点。，下面是一种利用ZnO 纳米棒提升光寻址电位传感器检测DNA性能的装置及方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种利用ZnO 纳米棒提升光寻址电位传感器检测DNA性能的装置，其特征在于，包括法拉第屏蔽箱(1)、装载台(2)、半导体激光器(3)、LAPS传感器(4)、恒压器(5)、锁相放大器(6)、采集卡(7)和计算机(8)；其中，装载台(2)置于法拉第屏蔽箱(1)内，半导体激光器(3)和LAPS传感器(4)安装在装载台(2)上，且半导体激光器(3)和LAPS传感器(4)相对设置，恒压器(5)和锁相放大器(6)设置在法拉第屏蔽箱(1)中，且恒压器(5)和锁相放大器(6)与LAPS传感器(4)上的电极连接，锁相放大器(6)和采集卡(7)连接，采集卡(7)安装在计算机(8)上，用于对LAPS传感器(4)光电流进行采集，所述计算机(8)安装在法拉第屏蔽箱(1)外侧。
2.根据权利要求1所述的一种利用ZnO纳米棒提升光寻址电位传感器检测DNA性能的装置，其特征在于，所述LAPS传感器(4)包括合金板(10)，合金板(10)的中部位置上依次设置有大小相同的Si层(12)、SiO2层(13)及Al层(14)，Al层(14)中部位置上依次设置有大小相同的ZnO NRAs层(15)和探针ssDNA层(16)，且Si层(12)、SiO2层(13)、Al层(14)、ZnO NRAs层(15)和探针ssDNA层(16)均设置在检测腔(9)中。
3.根据权利要求1所述的一种利用ZnO纳米棒提升光寻址电位传感器检测DNA性能的装置，其特征在于，合金板(10)的外沿设置有工作电极(11)，且工作电极(11)位于检测腔(9)外侧，恒压器(5)和锁相放大器(6)与工作电极(11)相连。
4.一种利用ZnO纳米棒提升光寻址电位传感器检测DNA性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：LAPS芯片的制作：将厚度为400um的P型硅片作为基底，所述P型硅片电导率为1-
10Ωcm，采用热氧化法在P型硅片表面制备厚度为30nm的SiO2层，在SiO2层上修饰一层中间窗口图案厚度为300nm的Al层；
步骤2：功能化LAPS传感器的制备：在LAPS芯片表面依次形成ZnO NRAs层和探针ssDNA层，放入测量腔组装成LAPS传感器，设置扫描电压，记录LAPS光电流-电压曲线，记为I-V曲线；
步骤3：检测目标ssDNA：计算目标ssDNA结合前后LAPS传感器表面I-V曲线的移位。
5.根据权利要求4所述的一种利用ZnO纳米棒提升光寻址电位传感器检测DNA性能的方法，其特征在于，步骤2具体包括：
步骤2.1：采用水热法在LAPS芯片表面修饰一层ZnO NRAs，形成ZnO NRAs层；
步骤2.2：将探针ssDNA分子经硅烷化过程共价固定于ZnO NRAs层上，形成探针ssDNA层，整体作为LAPS芯片；
步骤2.3：将LAPS芯片置于检测腔内，功能化的LAPS传感器制备完成。
6.根据权利要求5所述的一种利用ZnO纳米棒提升光寻址电位传感器检测DNA性能的方法，其特征在于，步骤2.1具体包括：
步骤2.1.1：利用反应磁控喷射技术在LAPS芯片表面沉积一层的ZnO膜，作为种子层；
步骤2.1.2：利用水热沉积法制作ZnO NRAs层：在密封烧杯中，在相同体积的0.02M的Zn(NO3)2和0.02M的六亚甲基四胺混合溶液中放入步骤2.2.1得到的LAPS芯片，放置在95℃下
2h，即生长出ZnO NRAs表面，然后用去离子水彻底冲洗，并用N2吹干，形成ZnO NRAs层。
7.根据权利要求4所述的一种利用ZnO纳米棒提升光寻址电位传感器检测DNA性能的方法，其特征在于，步骤2.2具体包括：
步骤2.2.1：对探针ssDNA 5'-AACGC CGATA CCATT TACCG CGACG-3'的5'端进行氨基化；
步骤2.2.2：在沉积了ZnO NRAs的LAPS芯片表面滴加体积分数为0.1％的3-氨基丙基三乙氧基硅烷的甲苯溶液，室温孵育1小时；
步骤2.2.3：冲洗干净，N2吹干，在120℃下加热2小时使芯片表面液体凝固；
步骤2.2.4：然后加入戊二醛，与芯片表面胺结合形成醛基；
步骤2.2.5：引入的醛基在室温条件下与探针ssDNA末端的胺类残基反应12小时，采用pH为7.5的PBS冲洗干净，氮气吹干；
步骤2.2.6：设置扫描电压扫描范围-1-0.8V，间隔10mV，记录LAPS表面I-V曲线；
步骤2.2.7：加入0.01g/ml的牛血清白蛋白，封闭非特异性结合位点，然后采用PBS冲洗干净，氮气吹干；
步骤2.2.8：重复步骤2.2.6。
8.根据权利要求7所述的一种利用ZnO纳米棒提升光寻址电位传感器检测DNA性能的方法，其特征在于，步骤3具体包括：
步骤3.1：将测量溶液加入检测腔中，测量溶液为浓度10mM、pH7.5的PBS，设置扫描电压扫描范围-1-0.8V，间隔10mV，记录LAPS表面I-V曲线，记为目标ssDNA结合前LAPS表面I-V曲线；
步骤3.2：将检测腔内测量溶液取出，加入目标ssDNA溶液室温下孵育1小时，测量溶液用于清洗检测腔，去除未与探针表面ssDNA杂交的ssDNA分子；
步骤3.3：设置扫描电压扫描范围-1-0.8V，间隔10mV，记录LAPS表面I-V曲线，记为目标ssDNA结合后LAPS表面I-V曲线；
步骤3.4：计算目标ssDNA结合前后LAPS表面I-V曲线的移位。

说明书全文

一种利用ZnO 纳米棒提升光寻址电位 传感器检测DNA性能的装

置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及DNA的检测领域，具体涉及一种利用ZnO纳米棒提升光寻址电位传感器检测DNA性能的装置及方法。

背景技术

[0002] DNA(脱氧核糖核酸)检测在遗传疾病诊断、病原体鉴定、亲代检测、药物筛选和食品安全领域都具有重要意义。目前检测DNA的方法是PCR扩增技术，标记法和非标记法，PCR方法是通过酶促合反应来扩增DNA片段或序列，放大微量DNA耗时久。标记法是通常采用荧光对探针或目标DNA分子进行标记，DNA制作成本高，检测过程复杂，非标记法是一般是利用芯片修饰互补链直接捕获目标DNA分子，简单快速，但扁平的结构可能对DNA杂交产生一定影响。因此，遗传疾病诊断、病原体鉴定、亲代检测、药物筛选和食品安全领域需要用到DNA检测的领域迫切需要开发一种高性能的无标签检DNA的新方法。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于提供一种利用ZnO纳米棒提升光寻址电位传感器检测DNA性能的装置及方法，以克服现有技术存在的缺陷，本发明实现了DNA的无标签检测，具有时间短，成本低廉，操作方便，灵敏度高等优点。

[0004] 为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0005] 一种利用ZnO纳米棒提升光寻址电位传感器检测DNA性能的装置，包括法拉第屏蔽箱、装载台、半导体激光器、LAPS传感器、恒压器、锁相放大器、采集卡和计算机；其中，装载台置于法拉第屏蔽箱内，半导体激光器和LAPS传感器安装在装载台上，且半导体激光器和LAPS传感器相对设置，恒压器和锁相放大器设置在法拉第屏蔽箱中，且恒压器和锁相放大器与LAPS传感器上的电极连接，锁相放大器和采集卡连接，采集卡安装在计算机上，用于对LAPS传感器光电流进行采集，所述计算机安装在法拉第屏蔽箱外侧。

[0006] 进一步地，所述LAPS传感器包括合金板，合金板的中部位置上依次设置有大小相同的Si层、SiO2层及Al层，Al层中部位置上依次设置有大小相同的ZnO NRAs层和探针ssDNA层，且Si层、SiO2层、Al层、ZnO NRAs层和探针ssDNA层均设置在检测腔中。

[0007] 进一步地，合金板的外沿设置有工作电极，且工作电极位于检测腔外侧，恒压器和锁相放大器与工作电极相连。

[0008] 一种利用ZnO纳米棒提升光寻址电位传感器检测DNA性能的方法，包括以下步骤：

[0009] 步骤1：LAPS芯片的制作：将厚度为400um的P型硅片作为基底，所述P型硅片电导率为1-10Ωcm，采用热氧化法在P型硅片表面制备厚度为30nm的SiO2层，在SiO2层上修饰一层中间窗口图案厚度为300nm的Al层；

[0010] 步骤2：功能化LAPS传感器的制备：在LAPS芯片表面依次形成ZnO NRAs层和探针ssDNA层，放入测量腔组装成LAPS传感器，设置扫描电压，记录LAPS光电流-电压曲线，记为I-V曲线；

[0011] 步骤3：检测目标ssDNA：计算目标ssDNA结合前后LAPS传感器表面I-V曲线的移位。

[0012] 进一步地，步骤2具体包括：

[0013] 步骤2.1：采用水热法在LAPS芯片表面修饰一层ZnO NRAs，形成ZnO NRAs层；

[0014] 步骤2.2：将探针ssDNA分子经硅烷化过程共价固定于ZnO NRAs层上，形成探针ssDNA层，整体作为LAPS芯片；

[0015] 步骤2.3：将LAPS芯片置于检测腔内，功能化的LAPS传感器制备完成。

[0016] 进一步地，步骤2.1具体包括：

[0017] 步骤2.1.1：利用反应磁控喷射技术在LAPS芯片表面沉积一层的ZnO膜，作为种子层；

[0018] 步骤2.1.2：利用水热沉积法制作ZnO NRAs层：在密封烧杯中，在相同体积的0.02M的Zn(NO3)2和0.02M的六亚甲基四胺混合溶液中放入步骤2.2.1得到的LAPS芯片，放置在95℃下2h，即生长出ZnO NRAs表面，然后用去离子水彻底冲洗，并用N2吹干，形成ZnO NRAs层。

[0019] 进一步地，步骤2.2具体包括：

[0020] 步骤2.2.1：对探针ssDNA 5'-AACGC CGATA CCATT TACCG CGACG-3'的5'端进行氨基化；

[0021] 步骤2.2.2：在沉积了ZnO NRAs的LAPS芯片表面滴加体积分数为0.1％的3-氨基丙基三乙氧基硅烷的甲苯溶液，室温孵育1小时；

[0022] 步骤2.2.3：冲洗干净，N2吹干，在120℃下加热2小时使芯片表面液体凝固；

[0023] 步骤2.2.4：然后加入戊二醛，与芯片表面胺结合形成醛基；

[0024] 步骤2.2.5：引入的醛基在室温条件下与探针ssDNA末端的胺类残基反应12小时，采用pH为7.5的PBS冲洗干净，氮气吹干；

[0025] 步骤2.2.6：设置扫描电压扫描范围-1-0.8V，间隔10mV，记录LAPS表面I-V曲线；

[0026] 步骤2.2.7：加入0.01g/ml的牛血清白蛋白，封闭非特异性结合位点，然后采用PBS冲洗干净，氮气吹干；

[0027] 步骤2.2.8：重复步骤2.2.6。

[0028] 进一步地，步骤3具体包括：

[0029] 步骤3.1：将测量溶液加入检测腔中，测量溶液为浓度10mM、pH7.5的PBS，设置扫描电压扫描范围-1-0.8V，间隔10mV，记录LAPS表面I-V曲线，记为目标ssDNA结合前LAPS表面I-V曲线；

[0030] 步骤3.2：将检测腔内测量溶液取出，加入目标ssDNA溶液室温下孵育1小时，测量溶液用于清洗检测腔，去除未与探针表面ssDNA杂交的ssDNA分子；

[0031] 步骤3.3：设置扫描电压扫描范围-1-0.8V，间隔10mV，记录LAPS表面I-V曲线，记为目标ssDNA结合后LAPS表面I-V曲线；

[0032] 步骤3.4：计算目标ssDNA结合前后LAPS表面I-V曲线的移位。

[0033] 与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

[0034] 本发明利用LAPS传感测量系统来实现DNA无标签检测，具有检测时间短，成本低廉，操作方便，灵敏度高等优势。LAPS传感系统是基于电化学的测量原理，利用光可寻址的特点实现对传感器表面电位的变化的测量，实现了无标签，操作简单，快速的检测目标DNA。

[0035] 本发明利用ZnO纳米棒实现了LAPS传感器性能的提升，灵敏度进一步提高，检测下限进一步降低，实现了高灵敏的无标签DNA检测。ZnO纳米棒为LAPS传感器结合DNA提供的更大的结合面积，提供了三维结合位点，相较于原芯片平面结构，响应信号更强，灵敏度更高，检测限更低。，克服现有方法制作成本高，检测过程复杂的缺点，根据以上优点，本发明的装置及方法可广泛用于遗传疾病诊断、病原体鉴定、亲代检测、药物筛选和食品安全领域。附图说明

[0036] 图1是使用的LAPS测量装置的整体结构示意图；

[0037] 图2是本发明所使用的LAPS传感器结构图；

[0038] 图3是本发明检测的基于ZnO NARs的LAPS芯片上硅烷化、探针ssDNA固定、BSA阻断后的I-V曲线；

[0039] 图4是本发明的修饰和未修饰ZnO NARs的LAPS芯片表面探针ssDNA固定和BSA阻滞导致I-V曲线移位量对比图。

[0040] 其中，1、法拉第屏蔽箱；2、装载台；3、半导体激光器；4、LAPS传感器；5、恒压器；6、锁相放大器；7、采集卡；8、计算机；9、检测腔；10、合金板；11、工作电极；12、Si层；13、SiO2层；14、Al层；15、ZnO NRAs层；16、探针ssDNA层。

具体实施方式

[0041] 下面结合附图对本发明作进一步的描述：

[0042] 图1是本发明的测量装置。包括法拉第屏蔽箱1、装载台2、半导体激光器3、LAPS传感器4、恒压器5、锁相放大器6、采集卡7和计算机8；其中，装载台2置于法拉第屏蔽箱1内，半导体激光器3和LAPS传感器4安装在装载台2上，恒压器5和锁相放大器6和LAPS传感器4上的电极连接，锁相放大器6和采集卡7连接，采集卡7安装在计算机8上用于对LAPS传感器4光电流进行采集。

[0043] 参见图2，LAPS传感器4包括合金板10，合金板10的中部位置上依次设置有大小相同的Si层12、SiO2层13及Al层14，Al层14中部位置上依次设置有大小相同的ZnO NRAs层15和探针ssDNA层16，且Si层12、SiO2层13、Al层14、ZnO NRAs层15和探针ssDNA层16均设置在检测腔9中，合金板10的外沿设置有工作电极11，且工作电极11位于检测腔9外侧，恒压器5和锁相放大器6与工作电极11相连。

[0044] 一种利用ZnO纳米棒提升LAPS检测DNA性能的方法，包括以下步骤：

[0045] (1)LAPS芯片的制作：厚度为400um的P型硅片(1-10Ωcm)作为基底,采用热氧化法在硅片表面制备了30nm的SiO2层。为了欧姆接触和光照射，在SiO2层上修饰一层中间窗口图案的300nm的Al层。

[0046] (2)功能化的LAPS传感器的制备。

[0047] (2.1)采用水热法在LAPS芯片表面修饰一层ZnO NRAs。

[0048] (2.1.1)利用反应磁控喷射技术在LAPS芯片表面沉积了一层薄薄的ZnO膜，作为种子层。

[0049] (2.1.2)利用水热沉积法制作ZnO NRAs层：在密封烧杯中，等体积等浓度的0.02M的Zn(NO3)2和六亚甲基四胺混合溶液中放入(2.1)中LAPS芯片。放置在95℃下2h，即生长出ZnO NRAs表面，然后用去离子水彻底冲洗LAPS芯片，用N2吹干备用。

[0050] (2.2)探针ssDNA(单链DNA)分子经硅烷化过程共价固定于LAPS表面。

[0051] (2.2.1)探针ssDNA(5'-AACGC CGATA CCATT TACCG CGACG-3')5'端进行氨基化。

[0052] (2.2.2)在沉积了ZnO NRAs的LAPS芯片表面滴加0.1％(v/v)3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)的甲苯溶液，室温孵育1小时。

[0053] (2.2.3)冲洗干净，N2吹干，在120℃下加热2小时使其凝固。

[0054] (2.2.4)加入戊二醛，与芯片表面胺结合形成醛基。

[0055] (2.2.5)引入的醛基在室温条件下与探针ssDNA末端的胺类残基反应12小时，PBS(pH 7.5)冲洗干净，氮气吹干。

[0056] (2.2.6)设置扫描电压扫描范围-1-0.8V，间隔10mV，记录LAPS表面I-V曲线。

[0057] (2.2.7)加入0.01g/ml的牛血清白蛋白(BSA)，封闭非特异性结合位点，PBS冲洗干净，氮气吹干。

[0058] (2.2.8)重复步骤(2.2.6)。

[0059] (2.3)将LAPS芯片置于检测腔内，功能化的LAPS传感器制备完成。

[0060] (3)检测目标ssDNA(5'-CGTCG CGGTA AATGG TATCG GCGTT-3')。

[0061] (3.1)将测量溶液(10mM PBS,pH 7.5)加入检测腔中，重复步骤(2.2.6)。

[0062] (3.2)将检测腔内测量液取出，加入目标ssDNA溶液室温下孵育1小时。测量溶液用于清洗检测腔，去除未与探针表面ssDNA杂交的ssDNA分子。

[0063] (3.3)重复步骤(2.2.6)。

[0064] (3.4)计算目标ssDNA结合前后LAPS表面I-V曲线的移位。

[0065] 图3为LAPS芯片表面硅烷化，修饰探针链DNA和BSA封闭后的I-V曲线，证明LAPS芯片表明成功进行硅烷化，修饰探针链DNA和BSA封闭，随着每一次修饰，芯片表面导电性进一步减弱，导致I-V曲线右移，同一偏置电压下光电流逐渐减小。图4为修饰和未修饰ZnO NARs的LAPS传感器表面通过探针ssDNA固定和BSA阻滞导致I-V曲线移位量对比图，可以看出修饰了ZnO NARs的传感器性能远远高于未修饰纳米棒的传感器，实验结果证明本发明能够提升LAPS测量DNA的性能。

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