《代谢调控》基因生物传感器技术

1、代谢调控综述题目：基因生物传感器技术基因生物传感器技术摘要随着基因结构与功能研究的不断深入，特别是人类基因组计划取得重要进展，基因的分离及分析检测将在医学诊断、药学研制、生物工程、环境科学及卫生防疫等领域发挥越来越 重要的作用。许多生物新技术的不断出现，其中利用核酸分子间的特异性互补配对规律，研究对特定核酸序列实现快速分析的新方法 核酸生物传感器技术，为分子生物学研究提供了又一种全新的基因检测技术。与传统的放射性同位素标记探针，生物素，酶荧光染料标记探针等检测技术用于发现、 筛选、研究和鉴别目的基因技术方法相比，核酸生物传感器技术具有快速、灵敏、操作简便、无污染等特点，具有分子识别功能，而且还

2、有无可比拟的分离 纯化基因的功能，已成为当今生物传感器中的前沿性课题。本文将主要介绍基因生物传感器的原理、分类和特点，同时总结其发展现状并展望其发展趋势。关键词：传感器；应用；现状；前景引言通过人类基因组计划的实施， 获得大量的基因信息可为判断生物个体及其环 境状况提供可利用的庞大信息资源； 同时许多新的基因生物技术的出现， 为开拓 高灵敏度、 高特异性的生物分析检测分析方法注入了活力， 已引起国内外生物分 析工作者的广泛关注。1. 基因传感器设计原理DNA 生物传感器是核酸传感器的一种。其设计的依据是核酸杂交动力学， 对靶 DNA 的选择测定时通过分子杂交技术实现的。每个种属生物体内都含有其

3、 特定的核酸序列，因此检测核酸的关键策略是设计一段寡核苷酸引物或者是用聚 合酶链反映扩增的一段 DNA 分子，能够专一地与特定靶序列进行杂交，从而检 测出特定的生物种属， 杂交过程具有较高的特异性和灵敏度， 这是核酸检测研究 的基础，也是设计 DNA 生物传感器首要的和基本的条件，其原理是首先在基本 传感器上固定一条含有十几到上千个核苷酸的单链 DNA （ssDNA）,通过DNA 分子杂交，对另一条含有互补碱基序列的 DNA 进行识别，结合成双链 DNA （dsDNA）。由于杂交后dsDNA稳定性高，在传感器上表现的物理信号都较弱， 还需要 DNA 分子之间加入嵌合剂,把分子杂交后的 DNA

4、分子含量通过换能器 表达出来。 12. 基因传感器的分类基因传感器也是生物传感器的一种。基因传感器是指以DNA物质为检测对象，在待测物的识别及信号转化中涉及了生物原理。 基因传感器和其他生物传感 器一样，包含两部分一一分子识别元件（DNA和换能器件，但是要从结构上或 组成上区分两者常是困难的。根据杂交前后电信号的变化量，从而推测出被检 DNA的量。因换能器件和接受器种类不同，所以就可以构成不同类型的DNA生物传感器。可以分类如下：DNA专感器21.1 按换能器件转换信息分类电化学DNA专感器：DNA修饰电极、场离子效应管 DNA专感器光学DNA专感器：光纤DNA专感器、表面等离子体共振DNA的

5、含量、光渐消 逝波DNA专感器、生物化学发光DNA专感器、荧光DNA专感器、拉曼光谱式DNA 传感器、光寻址电位式DNA专感器压电式DNA专感器：体波式DNA专感器、表面声波DNA专感器1.2 按分子识别元件分类核内DNA核外DNA cDNA外源DNA等构成传感器不同的检测对象命名的DNA专感器3. 基因专感器探针固定化方法在DNA专感器的发展过程中，生物传感器的换能器是传感器的核心，因此， DNA探针在传感器表面的固定技术是影响传感器使用寿命的一个重要因素。理想的DNA固定化方法应简便方便，得到的修饰层稳定、影响灵敏、易于杂交和再生 等。目前报道的核酸固定技术包括化学吸附法、 分子自组装膜法

6、、 共价结合法等 等。3.1 化学吸附法 最早从事核酸研究的 Palecek 教授、利用核酸能在汞电极和高导向热解石墨 电极表面产生较强烈的吸附，发展了一种简便制备核算修饰电极的方法。 3 该法 只需5-10ul的核酸溶液，将电极浸入溶液中，ssDNA dsDNA及核糖核酸都产生 不可逆吸附，经过冲洗得到稳定的核酸修饰汞电极。庞代文也研究了一种制备核酸修饰电极的方法。 讲ssDNA或dsDNA转至玻碳 电极经过预处理的金电极的表面， 涂匀，空气干燥，无菌重蒸水冲洗， 充分浸泡， 即得到单分子层的DNA修饰电极。4化学吸附法的优点是简单，到是该方法得到的ssDNA修饰电极不利于杂交。3.2 自组

7、装膜法自组装膜法是基于分子自组装作用， 在固体表面自然形成高度有序的单分子 层的方法。此法制备核酸修饰电极多采用羟基化合物在金电极表面自组作用。在金电极上，普遍是利用一SH基团可在金表面易形成自组装单分子膜的特性 讲ssDNA固定在基本传感器上。Che ng等报道了硫辛基自组装电极的灵敏度和选 择性研究。 5自组装膜法得到的核酸修饰电极，表面结构有序，稳定性好，有利于杂交， 但对羟基化合物修饰的DNA勺纯度要求较高，分离提纯操作较繁琐。3.3 共价化合法共价结合法是由金属片、玻璃、碳纤维、打孔树脂、Sephadex凝胶、尼龙、聚丙醇酰胺类及衍生物、 聚乙烯醇、 胶原蛋白等各种各样的材料作为基质

8、。 这种 基质的表面性能各异， 经过化学修饰后，使其基质表面修饰有不同的活化功能团， 通过偶联反映， 使标记物分子中的活化基团及基质表面通过化学反应， 以共价键 的形成结合起来， 这就是所谓的直接偶联方法， 另一种形式是简介偶联， 即在基 质表面和标记物之间， 引入一个活化预处理， 以引入活性键合基团； 第二步是进 行表面的有机合成，通过共价键合成反应把功能分子固定到电极表面。在DNA与电极的共价结合发面，可以将修饰剂与电极材料混合以制备组合修 饰电极。 Millan 等将 18-烷基胺或 18-烷基酸混入碳糊中， 得到修饰的碳糊电极。6方禹之等通过硅烷化合物在石墨电极表面表面导入氨基， 在水

9、溶液碳二亚胺 存在下，一NH与DNA5末端磷酸基缩合而共价结合到电极表面。4. 基因生物传感器的特点4.1与常规的核酸检测相比，DNA专感器有以下优点： 可以进行液相杂交检测、可以进行DNA实时检测、可以对活体内核酸进行动态检 测、可以4.2进行DNA的大量智能化检测、灵敏度高、特异性强、无污染。DNA专感器也具有许多有待改进的方面，主要有以下不足： 响应时间方面，灵敏度发面。4.3可以通过以下几个发面对DNA生物传感器技术进行改进：4.3.1 加快响应时间4.3.2提高灵敏度：Strachan等通过光纤生物传感器鉴定 PCR产物的实验， 大大提到了其灵敏度。 7Pollard 等和 Nils

10、son 等通过表面等离子体共振技术的原 理的DNA传感器，检出灵敏度达 10fmol/mm，响应时间小于 5min。8Kruchinin 等在其研究的基于SPF原理的DNA专感器中，将折射率的测定改为测定反映光中 P和S偏振光组分的比例，使灵敏度提高了 2个数量级。Oka no等利用氨激光器 为光源测定荧光标记DNA检测出限达到10-19mmol/L的水平。95. 基因生物传感器研究进展基因生物传感器是最近几年发展起来的一种新型生物传感器， 这类传感器起 步较晚，由于有着很高的实用价值， 已引起世界各国生物传感器学者的高度重视。 并且， DNA 生物传感器一起步就吸收了各种传感器的优点，并利用

11、了高新科学 技术，发展速度十分迅猛，已在各个研究方面有所突破，各种 DNA 传感器的研 究进展主要包括以下几个方面。5.1 电化学基因传感器电化学 DNA 传感器主要有 DNA 修饰电极制作传感器和离子场效应 DNA 传 感器，电化学 DNA 传感器研究最多，而且，换能器是目前传感器中最成熟的一 种， Marrazza 和 Palanti 在此领域做出重要的研究贡献。 10主要用途：电极的选 择性修饰和 DNA 固定、嵌合性选择、电化学 DNA 传感器性能研究、基因检测、 药物筛选、 DNA 与其他分子相互作用研究、核酸结构研究。5.2 光学基因传感器根据所选光学和检测材料的不同， 光学 DN

12、A 生物传感器也可分成许多种类。 研究传感器的关键和通常所遇到的困难时 DNA 固定化方法和嵌合剂的选择，以 及怎样使检测光吸收达到最大值， 提到检测时的灵敏度， 主要有以下光学传感器： 光纤维基因传感器、 光渐消逝波基因传感器、 拉曼光谱性基因传感器、 表面离子 体共振基因传感器。主要用途：病毒检测、 PCR 产物测定、基因突变及杂交动 力学测定。5.3 压电晶体基因传感器 压电传感器，工作原理是基于压电效应。压电 DNA 传感器对检测 DNA 序列是 一种新的有效方法，在基因检测中将能发挥重要作用。这种 DNA 传感器与其他 类型的 DNA 传感器相比。不需要任何标记，且检测器体积小，便于

13、携带，仪器 简单，仪器及使用材料价格便宜，使用方便。6. 基因生物传感器技术发展趋势 探索新的嵌合剂、染料及载体材料；换能器的选用；电极表面结构优化；基 因传感器的研究和应用范围的进一步拓宽； 基因传感器将向微型化和自动化及商 品化方向发展。结语DNA专感器的研究是最近几年来发展起来的，起步较晚，但发展速度较快。 以后，将会有更多不同传感元件及技术相继在 DNA生物传感器中得到应用。虽然， 这些传感器存在灵敏度不够、易受杂质干扰的特点。不过由于DNA专感器具有测 定快速、操作方便、成本低等一系列的优点，并且随着 DNA专感器的开发，讲将 大大改进现有的DNA测定的方法，并为快速、自动化检测基因

14、奠定基础。随着一 些新技术不断对DNA专感器进行补充和改善，DNA专感器定将会成为商品而出现 在人们的科研和生活中。主要参考文献：1. 刘杰.DNA探针技术及其在生物化学上的应用.化学通报，1992,5:26 302. 陈忠斌主编 .生物芯片技术 .2005 年 5月第一版3. Palecek E,Fojta M.Differental pukse voltammetric determination RNA at the picomolen of DNA and nucleic acid components. Anal Chem,1994,66:156615714. 庞代文等.DNA的电化

15、学研究.化学通报，1994,2:1 45. Cheng Q and Brajter-toth A.Selectivity and sensitivity of self-assembled thioctic acid electrodes.Anal Chem,1992,64:199820006. Millan K M,Saraullo A,Mikkelsen S R.Voltammetric DNA biosensor for cystic fibrosis based on a modifoed carbon paste electrode. Anal Chem,1994,66:293429

16、387.Strchen N J,Gray D I.A,rapid general method for the identification of PCR produts using a fiber-ooptic biosensor and its application to the detection of Listeria.Lett Appl Mirobiol,1995,21(1):598.Pollard K D,Hawkins E,Yeung D,et al.Immunoassay and nucleic acid detection with a biosensor based on surface