新的DNA生物传感器可以解锁强大低成本的临床诊断

DNA可以表明一系列疾病的存在或易感性，包括癌症。标记这些线索的能力，称为生物标志物，使医疗专业人员能够做出关键的早期诊断并提供个性化的治疗。

典型的筛查方法可能费力、昂贵或有限的发现。拥有准确且廉价设计的新型生物传感器芯片可以提高高质量诊断的可及性。

该生物传感器由美国国家标准与技术研究院(NIST)，布朗大学和法国政府资助的研究机构CEA-Leti的研究人员开发，通过测量DNA链和设备之间的结合方式来识别生物标志物。它与其他类似传感器的不同之处在于其模块化设计，它通过使其更容易批量生产并允许重复使用最昂贵的组件来降低成本。

在最新的IEEE国际电子设备会议上刚刚在线发布的一篇论文中，研究人员展示了一项研究的结果，该研究证明了该设备的高灵敏度和精度，尽管它是模块化的，这通常与性能下降有关。

与其他DNA生物传感器一样，该装置利用了这样一个事实，即当单个DNA链不与熟悉的双螺旋内的另一条DNA链配对时，已经准备好进行化学键合。该装置的一部分涂有单链DNA。当这些“探针”遇到具有相应或互补基因序列的DNA生物标志物时，两条链结合，发送由设备拾取的信号。

“为了进行测量，我们需要两个DNA分子。我们在传感器上放置一根与目标DNA互补的链，这是大海捞针，“NIST研究员Arvind Balijepalli说，他是这项新研究的合著者。

当一条靶DNA链与探针结合时，它会诱导半导体器件(称为场效应晶体管(FET))可以测量的电压偏移。当分子弹出和离开传感器时，这些电压偏移每秒可能发生数百次。

由于其高时间分辨率，这种方法不仅可以告诉您DNA链是否与探针结合，还可以告诉您连接和断开需要多长时间 - 这一因素称为结合动力学，是识别可能不同程度与同一探针结合的不同标记的关键。

使用这种方法，您不需要太多空间来测量很多。

“这是一种非常可扩展的技术。原则上，我们可以在一平方毫米的区域内将数百甚至数千个传感器集成到智能手机大小的设备中，这比目前在诊所中使用的一些技术要麻烦得多，“Balijepalli说。

然而，基于FET的方法尚未成为主流。一个重要的绊脚石是它们的一次性性质，到目前为止，这似乎是必需品，但增加了它们的成本。

就像你的收音机在你开车离开无线电台时变得越来越嘈杂一样，电信号在电子设备中传播的时间越长，它们也会变得更嘈杂。沿途拾取的不需要的随机噪声使信号更难测量。

为了限制噪声，基于FET的传感器中的DNA探针通常直接连接到晶体管上，将信号转换为可读数据。缺点是探头是在暴露于样品后消耗的，因此整个设备也是如此。

在这项新研究中，Balijepalli和他的同事增加了探针和晶体管之间的距离，以便可以重复使用电路中更昂贵的元件。前期的惩罚是距离可能会增加噪音量;然而，从设计选择中获得很多好处，甚至超出了成本节约。

“如果阅读器是可重复使用的，我们可以在其中构建更复杂的技术，并从读数中获得更高的精度，并且可以与廉价的一次性传感元件接口，”Balijepalli说。

因为他们预计模块化设计会降低生物传感器的灵敏度，研究人员从物联网(IoT)剧本中取出了一页，该剧本适应了与无线设备相关的损失。NIST的作者将他们的电路与CEA-Leti开发的一种特定类型的极低功耗FET配对，该FET用于智能手表，个人助理和其他设备，以放大信号并补偿损失的灵敏度。

为了测试他们的设备的性能，他们将其放置在含有与暴露于有害电离辐射相关的DNA链的液体样品中。互补DNA探针装饰连接到FET的电极。在几个样本中，他们改变了靶DNA的数量。

研究人员发现，结合动力学足够灵敏，即使在低浓度下也能进行准确的测量。总体而言，模块化设计的性能与基于FET的集成式非模块化生物传感器的性能相匹配。

他们研究的下一步是找出他们的传感器是否可以在突变引起的不同DNA序列上具有类似的性能。由于许多疾病是由突变的DNA引起或与之相关的，因此这种能力对于临床诊断至关重要。