专利名称：基于场效应晶体管的抗生素类药物筛选装置与方法
技术领域：
本发明涉及一种利用场效应集晶体管快速高通量筛选抗生素类药物的装置和方法。
背景技术：
抗生素又称为抗菌素，它既能杀灭细菌，又对霉菌、支原体、衣原体等其它致病微生物也有良好的抑制和杀灭作用。抗生素是某些微生物生长繁殖过程中产生的一种物质， 用于治病的抗生素除由此直接提取外，还有完全用人工合成或部分人工合成的。抗生素的主要作用是用于治疗各种细菌感染或抑制致病微生物感染的药物。我国是抗生素使用大国，也是抗生素生产大国，年产抗生素原料大约21万吨，出口 3万吨，人均年消费量138克左右(美国仅13克)。据2006至2007年度卫生部全国细菌耐药监测结果显示，全国医院抗菌药物年使用率高达74%，在美英等发达国家，医院的抗生素使用率仅为22% _25%，中国是世界上滥用抗生素问题最严重的国家之一。科学地使用抗生素的方法是做细菌培养并作药敏试验，根据药敏试验的结果选用极度敏感药物，这样就避免了盲目性，而且也能收到良好的治疗效果。
抗生素的抑菌或杀菌的原理，主要是针对“细菌有而人(或其它高等动植物)没有”的机制进行杀伤，有以下4大类作用机理1、阻碍细菌细胞壁的合成，导致细菌在低渗透压环境下膨胀破裂死亡，以这种方式作用的抗生素主要是内酰胺类抗生素。2、与细菌细胞膜相互作用，增强细菌细胞膜的通透性、打开膜上的离子通道，让细菌内部的有用物质漏出菌体或电解质平衡失调而死。以这种方式作用的抗生素有多粘菌素和短杆菌肽等。3、与细菌核糖体或其反应底物(如tRNA、mRNA)相互所用，抑制蛋白质的合成。以这种方式作用的抗生素包括四环素类抗生素、大环内酯类抗生素、氨基糖苷类抗生素、氯霉素等。4、阻碍细菌DNA的复制和转录。以这种方式作用的主要是人工合成的抗菌剂喹诺酮类(如氧氟沙星)。无论是上述的哪种作用机制，细菌受到抗生素药物的影响下都会抑制其正常生长，导致其培养基与正常培养时不一样，而这种改变可以被本装置和方法检测出来，从而能够监控细菌的生长状态，然后进一步判断抗生素药物的杀菌效果。常规生物医学领域上的利用细菌培养作的药敏试验，需要做琼脂移块法、液体扩散法等，需要铺平板，培养、筛选细菌。对实验条件要求较高，需要一些特定的实验设备，且过程繁琐试剂昂贵，不利于高通量、快速、廉价、筛选细菌的耐药性和抗生素类药物的有效性。而利用本方法能够直接、明显、快速的判断出细菌受药物作用下的生存情况、代谢能力。为了满足当前对大量抗生素类药物的筛�。饩隹股乩嘁┪锢挠谩⑾妇鸵┬晕侍猓颐强⒁恢帜芄豢焖�、高通量、微量(少于1毫升)筛选抗生素类药物的方法，集合了场效应晶体管的高灵敏、实时电信号输出、易于集成化等特性，可以用来高通量筛选抗生素类药物。
发明内容
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本发明的主要目的是构建一套能够快速、高通量、易于集成化、自动化的筛选抗生素类药物的方法。本方法能够解决现有的传统方法的不足之处，更简单廉价、快速大量的评价抗菌药物对细菌的影响。利用细菌繁殖、代谢改变周围溶液成分的性质，结合场效应晶体管这一物理学器件进行信号检测，使得本装置更易于集成化、自动化、高通量地筛选药物， 适合于当今社会抗生素大量产生，细菌越来越具有抗药性，所以用药之前需要大规模的快速筛选、评价各种抗菌药物对细菌生长的抑制作用。 本发明提供了一种新型的筛选抗生素类药物的方法，其原理是在场效应晶体管沟道上用聚二甲基硅氧烷构建一微型储液池培养细菌。细菌利用培养液中的葡萄糖进行新陈代谢的同时，会往溶液中排出一些代谢产物，如乳酸、柠檬酸，他们会改变周围溶液的 PH值，这种溶液中氢离子浓度的改变也会引起储液池底部场效应晶体管电信号的变化。而当在储液池中加入一些抗生素类药物(如青霉素)后，抗生素药物会干扰细菌进行新陈代谢，抑制代谢产物的产生，从而抑制溶液的PH值的改变，导致场效应晶体管的电信号变化也减弱。而且，加入的抗菌药物对细菌代谢抑制作用越强，那么场效应晶体管的电信号变化也就越弱，从而可以通过电信号的变化程度，来快速判断一种抗生素药物的抑制细菌代谢的能力。另外一方面，由于细菌如大肠杆菌表面的脂多糖使其在溶液中会带负电，所以细菌会吸附在修饰有带正电的聚赖氨酸的半导体沟道上，会对场效应晶体管产生电场的作用， 减弱或加强半导体沟道的耗�。佣跋煸亓髯拥那ㄒ扑俾驶蛘吲ǘ龋缧藕诺谋浠�。 如果某抗生素药物抗菌作用不明显，那么细菌会大量繁殖，越来越多的带负电的细菌吸附在场效应晶体管的沟道上，会产生强烈的电信号变化，从而可以从电信号变化的程度来反应细菌在药物作用下的生长情况。本发明的技术方案之一是，构建了用于筛选抗生素类药物的场效应晶体管的生物芯片(如图1)，其构建步骤为
(1)将各种材料的纳米线或薄膜通过一定方法置于有SiO2绝缘层的硅衬底上，作为场效应晶体管的沟道。
(2)通过磁控溅射等方式在沟道的两侧，构建出长1至2厘米、宽5毫米、厚200纳米左右的金属电极，作为场效应晶体管源极、漏极。
(3)两电极距离50至100微米。
(4)构建好芯片后，在沟道处滴加质量分数为的APTES(3-氨丙基三乙氧基硅烷) 或GPTMS (γ (2，3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷))有机连接试剂，修饰反应3小时。
(5)修饰上有机连接试剂后，在沟道处再滴加聚赖氨酸溶液，反应1小时。即得到功能化修饰的场效应晶体管生物芯片。本发明的技术方案之二是，提供了一种筛选抗生素药物的装置与方法，其组成和作用为
(1)半导体沟道上由PDMS(聚二甲基硅氧烷)构成的微型储液池。其特征是由PDMS构建的，溶积为500微升左右，圆形或方形控储存液体的小池，与硅衬底紧密贴合，保证储液池中的液体不外流。此储液池的作用在于储液培养细菌，由于是在沟道上构建的，所以储液池中的溶液性质的微小变化都会被场效应晶体管感应到。所以的容器等装置均进行灭菌、 消毒、清洁处理，确保不带入其他病原微生物或杂质影响检测结果。
(2)场效应晶体管生物芯片。在场效应晶体管的敏感沟道部分修饰上带正电的聚赖氨酸，再连接外部的测量、检测设备，当储液池中的细菌繁殖生长时，溶液中的细菌会因为正负电相互吸引的总用，结合在半导体沟道上，由于细菌在溶液中带负电，结合在沟道上或细菌代谢产生乳酸、柠檬酸等会改变溶液的PH值会对半导体沟道内的载流子产生影响，从而改变场效应晶体管源极、漏极间的电学的信号，被测量仪器所检测到。
(3)信号检测系统。主要由能在场效应晶体管的三个电极端(源极、漏极、栅极)给予电压的电源装置和一个电流表构成。作用为检测电学信号变化。本抗生素类药物筛选方法的可行性来源于场效应晶体管生物芯片对于细菌繁殖、 新陈代谢改变周围溶液性质的敏感响应，本方法的普遍性来源于可以用于培养大多实验室能培养、繁殖的细菌，能够筛选各种各样的抗生素类药物，本方法能够实现快速、高通量筛选的原因是场效应晶体管生物芯片和电子检测系统易于小型化、耗能低，且简单，可重复利用、大批量生产，适合于在没有一般生物化学实验室的条件下，快速廉价筛选抗生素药物。 本装置和方法易于自动化、高通量诊断样本的原因是，场效应晶体管输出的电学信号易于和被电脑快速识别，且细菌繁殖速度快、信号实时监控检测，只需几个小时便能够得出一种抗生素药物对细菌代谢的抑制程度。倒掉储液池中的液体，简单清洗，即可进行下一药品的筛�。贡咀爸靡子谑迪肿远�、高通量筛选药物。本发明方法与装置的突出特点与显著进步在于
(1)本发明基于的场效应晶体管生物芯片，构建材料灵活多变，可以是有机薄膜、无机金属氧化物材料，构建方法简单易行，如若使用某些生物相容性好的有机材料(如石墨烯)，更利于细菌生长，提高筛选的可信度与准确度。
(2)本发明基于的场效应晶体管生物芯片，在检测时利用PDMS储液池和SiO2钝化层对电极和芯片进行保护，有效提高芯片使用率和重复性。
(3)本方法由于使用纳米级的有机、无机材料构建场效应晶体管生物芯片，可实现灵敏、快速地对药物进行筛�。秆×槊舳缺却撤椒ㄌ岣逫O3到106，检测时间在数小时内就能完成，效率提高10倍左右。无需其他生物仪器设备。
(4)本方法将场效应晶体管与大规�？股厣秆〗岷掀鹄矗票赋龅纳秆∫瞧鳎涑龅缧藕牛子诩苫�、自动化、便携化，适合当下对大量的、种类繁多的抗生素类药物，进行快速、高通量筛选。。
图1是本发明所述方法场效应晶体管筛选装置结构示意图。图1标记含义见下表:
权利要求
1.一种基于场效应晶体管生物芯片的高通量抗菌药物筛选方法，其特征是以功能化生物修饰的场效应晶体管芯片为核心，加上微型PDMS (聚二甲基硅氧烷)储液池、电子检测系统三部分组成，能够快速、高通量筛选抗生素类药物。
2.如权利1所述的场效应晶体管的生物芯片，其特征是在硅衬底上利用半导体工艺制造的金属性的源极电极、漏极电极，和连接在源极和漏极电极间的半导体沟道。半导体敏感材料沟道可以是硅纳米线、碳纳米管、SnA纳米线、TW2纳米线、GaN纳米线、石墨烯纳米带、 有机物薄膜中的一种或几种。源极电极和漏极电极上钝化一层SiO2以适应在水溶液中的检测。
3.如权利1所述的场效应晶体管的生物芯片，其特征在于所述的半导体沟道可以是一根或由多条组成的阵列。
4.如权利1所述的功能化修饰的场效应晶体管，其特征在于晶体管的半导体沟道上通过有机连接剂APTES (3-氨丙基三乙氧基硅烷)或GPTMS (γ 0，3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷)等的中介作用，将聚赖氨酸连接在半导体敏感沟道上面。
5.如权利1所述的场效应晶体管的生物芯片能够检测到细菌生长情况的原理是，在场效应晶体管沟道上用PDMS构建一微型储液池培养细菌，细菌如大肠杆菌由于表面细胞膜的脂多糖在溶液中会带负电，所以细菌会吸附在修饰有带正电的聚赖氨酸的半导体沟道上，对半导体沟道产生电场的作用，减弱或加强沟道的耗尽，从而影响沟道内载流子的迁移速率或者浓度，最终导致电流变化。如果细菌繁殖数量增多，那么就会有越来越多的带负电的细菌吸附在场效应晶体管的沟道上，导致电流发生更大的变化，从而通过检测电信号的变化来反应细菌的生长变化。
6.如权利1所述的场效应晶体管的生物芯片能够快速筛选抗生素类药物的原理是，在场效应晶体管沟道上用PDMS构建一微型储液池培养细菌，细菌会利用培养液中的葡萄糖进行新陈代谢，会往溶液中排除一些代谢产物，如乳酸、柠檬酸，他们会改变周围溶液的PH 值，这种溶液中氢离子浓度的改变也会导致场效应晶体管电流的变化。而当在储液池中加入一些抗生素类药物(如青霉素)后，抗生素药物会干扰细菌进行新陈代谢，抑制代谢产物的产生，从而抑制溶液的PH值的改变，导致场效应晶体管的电流变化也减弱，这种加入的抗菌药物对细菌代谢抑制作用越强，场效应晶体管的电流变化越弱，从而可以这样来快速判断一种抗生素药物的抑制细菌代谢的能力。
7.如权利1所述的在半导体沟道上由PDMS构成的微型储液池，其特征是由PDMS构建的，溶积为500微升左右，圆形或方形控储存液体的小池，与硅衬底紧密贴合，保证储液池中的液体不外流。此储液池的作用是储液培养细菌。由于是在沟道上构建的，所以储液池中的溶液性质的微小变化都会被场效应晶体管感应到。
8.如权利6所述的在半导体沟道上由聚二甲基硅氧烷构成的微型储液池，其制备方法为首先在场效应晶体管芯片上构建出一储液池模板，然后将液态的PDMS加入一定剂量的固化剂后覆盖与模板上，随后放入真空干燥箱，真空状态、90度下加热20分钟后取出，将凝固的聚二甲基硅氧烷储液池与模板分离即构建完成。
9.如权利1所述的电子检测系统，主要由能在场效应晶体管的三个电极端(源极、漏极、栅极)给予电压的电源装置和一个电流表构成。
全文摘要
一种基于场效应晶体管的抗生素类药物筛选方法，由场效应晶体管生物芯片、微型储液池、电子检测系统三部分组成。利用半导体制作工艺在硅衬底上构建一对源、漏电极和在源、漏两极间的半导体沟道，并对沟道进行生物功能化修饰。然后用聚二甲基硅氧烷在芯片的沟道上构建一微型储液池用来培养细菌，最后将源、漏两电极与一套信号检测系统相连，可高通量地筛选抗生素类药物，是一种集成化、自动化、快速廉价的抗生素类药物的筛选方法。
文档编号G01N27/414GK102435653SQ20111025907
公开日2012年5月2日 申请日期2011年9月5日 优先权日2011年9月5日
发明者张恩迪, 徐成, 李秋红, 王太宏, 许志, 陈立宝 申请人:湖南大学
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