开展以21号染色体标识性片段为待测物的DNA静态反

日期:2019-10-07编辑作者:关于科技

唐氏综合征是最常见、最高发的出生缺陷疾病,风险率达1/700;患儿因多了一条21号染色体而具有明显的智力和形体缺陷,给患儿及其家庭,乃至社会造成沉重负担。为了降低该病患儿出生率,我国要求对孕妇进行产前筛查,目前国内通用的方法为超声检查和孕妇血液标志物检测,存在准确率低、误诊率高的问题;而新兴的全基因测序的方法,不仅费用昂贵,且用时过长,难以在大范围推广,因此急需发展一种快速,低成本且准确率高的新型筛查方法。近日,北京大学信息科学技术学院电子学系、纳米器件物理与化学教育部重点实验室张志勇教授课题组利用基于二硫化钼场效应晶体管的生物传感器,对新型唐氏综合征筛查方案展开探索,并取得重要进展。

传统硅基半导体器件的小型化进程逐渐接近其物理极限,寻找新的材料、发展新的技术使器件尺寸进一步缩小仍是该领域的发展趋势。传统硅基场效应晶体管要求沟道厚度小于沟道长度的1/3,以有效避免短沟道效应。但受传统半导体材料限制,沟道厚度不能持续减小。近年来,利用二维半导体材料来构造短沟道晶体管器件已经成为一个前沿探索的热点课题。二维材料因其达到物理极限的厚度成为一种构造超短沟道晶体管的潜在材料,理论上可以有效降低短沟道效应。但构造一个真正的三端亚5纳米短沟道场效应晶体管器件来有效避免短沟道效应,还存在技术上的挑战。

课题组采用化学气相沉积生长的大面积、高质量、均一的单层MoS2薄膜做沟道材料,所制备的FET阵列电学性能优越;与此同时,在FET沟道区域修饰金纳米颗粒,以连接DNA探针,通过Au和HS-离子的化合反应,将适当密度的脱氧核糖核酸探针连接至金颗粒,该探针DNA就可以捕获溶液中的待测DNA,引起器件电流下降。在确认FET器件的时间稳定性良好后,进行以21号染色体标志性片段为待测物的DNA静态反应,并测试器件电学性质改变;结果表明,器件可实现0.1 fM/L的超高检测精度和240%的最大响应率,综合这两项指标,为迄今公开报道的FET DNA传感器的最佳结果。在DNA干扰物测试中,器件同样表现出高度特异性;实时测试表明,器件能够连续区分出1 fM/L~1 pM/L的待测DNA,反应时间仅为400 s。此外,运用相同的实验方案测试参考DNA片段,通过比较所测得21号染色体和13号染色体的浓度,即可判断是否存在21号染色体的过表达,从而推断胎儿21号染色体数目是否异常,最终实现唐氏综合征的无创产前检测。

针对如何利用二维半导体材料构筑短沟道晶体管的问题,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心纳米物理与器件实验室N07组博士研究生谢立等在研究员张广宇、时东霞的指导下,针对器件结构中的沟道、电极、及栅介质等几种核心材料,设计了一种基于全二维材料构筑的新型短沟道晶体管器件。针对接触电极材料,在前期工作基础上,发展了基于晶界的刻蚀和展宽技术制备出石墨烯纳米间隙电极,间隙尺寸在3纳米以上可控。利用干法转移技术将作为沟道材料的单层二硫化钼,与作为栅介质材料的少层氮化硼依次进行叠层,构造出具有一系列不同沟道长度的单层二硫化钼场效应晶体管器件,最小沟道长度为~4纳米。利用石墨烯作为电极和二硫化钼接触具有两方面的优点,即极低的接触电阻和极弱的边缘效应,从而达到电场对沟道载流子的高效调控。器件的电学测试结果表明,当沟道长度大于9纳米时,其关态电流小于0.3pA/µm, 开关比大于107,迁移率可达30cm2V-1s-1,亚阈值摆幅~93mV·dec−1,漏致势垒降低<0.425V·V−1,短沟道效应可以忽略;当沟道长度低至4纳米时,短沟道效应开始出现但仍较弱。此外,这种短沟道器件可以承载超大电流密度大于500µA/µm,为目前报道的最高值。该研究利用全二维材料构筑超短沟道场效应晶体管器件,验证了单层二硫化钼对短沟道效应的超强免疫性及其在未来5纳米工艺节点电子器件中的应用优势。

基于这项工作的学术论文《针对唐氏综合征筛查的单层二硫化钼场效应晶体DNA传感器》于2019年2月13日在线发表于《纳米快讯》;电子学系2016级硕士研究生刘静遐、国家卫生和计划生育委员会科学技术研究所助理研究员陈西华、中国科学院物理研究所2017级博士研究生王琴琴为共同第一作者,张志勇和中国科学院物理研究所张广宇研究员为通讯作者。美国化学会官网以《灵敏传感器检测唐氏综合征DNA》为题,作为最新热点推介。

相关研究成果发表在《先进材料》上。该研究得到了国家重点基础研究发展计划,国家自然科学基金,中科院前沿科学重点研究项目、战略性先导科技专项的资助。

以上研究得到国家重点研发计划、国家重大科学研究计划、国家自然科学基金等资助;DNA材料和单层MoS2材料分别由陈西华和张广宇课题组提供。

论文链接

原文链接:

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热点推介:

a,MoS2超短沟道器件顶栅结构侧视图;b、c,9nm短沟道器件输出、转移特性曲线;d,4nm短沟道器件转移特性曲线;e,器件性能随沟道长度变化的关系。

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