DNA生物传感器的发展

1、Development of Development of electrochemical DNA electrochemical DNA biosensorsbiosensorsDNADNA生物传感器的发展生物传感器的发展摘要部分 由于快速响应，高灵敏度，高选择性和实由于快速响应，高灵敏度，高选择性和实验方法简便易行，验方法简便易行，DNA生物传感器的应用生物传感器的应用吸引了广泛的注意。本文回顾了吸引了广泛的注意。本文回顾了DNA生物生物传感器和被人们提及的、各种用于在制备传感器和被人们提及的、各种用于在制备传感器时克服它们在选择性和灵敏度方面传感器时克服它们在选择性和灵敏度方面局限性的方

2、法。我们同时还讨论了他们的局限性的方法。我们同时还讨论了他们的表现和前景。表现和前景。1.背景和简介 生物传感器的种类按照其感受器中所采用的生命物质分类,可分为:微生物传感器、免疫传感器、 组织传感器、 细胞传感器、 酶传感器、 DNA传感器等。生物传感器的特点 (1)采用固定化生物活性物质作催化剂,价值昂贵的试剂可以重复多次使用,节约成本简化过程 (2)专一性强 (3)分析速度快 (4)准确度高,一般相对误差可以达到 1%(5)操作系统比较简单,容易实现自动分析(6)有的生物传感器能够可靠地指示生物系统内的实时状况 DNA传感器的生物学基础传感器的生物学基础 DNA碱基序列和它对应的碱基互补

3、的链段碱基序列和它对应的碱基互补的链段之间的杂化，是所有由之间的杂化，是所有由DNA决定的技术的决定的技术的基础基础。一些传统检测技术：一些传统检测技术： 聚合酶链式反应（聚合酶链式反应（PCR），基因测序技术），基因测序技术 尽管那些传统技术给尽管那些传统技术给DNA诊断的实验室方诊断的实验室方法提供了最佳标准，但他们却不能满足用法提供了最佳标准，但他们却不能满足用于临床上的即时检测。因此，研究者仍在于临床上的即时检测。因此，研究者仍在努力寻找快速响应、高灵敏度、高选择性努力寻找快速响应、高灵敏度、高选择性和实验操作简便的方法。这种方法能在固和实验操作简便的方法。这种方法能在固体装置和溶液中

4、，快速监测生物识别和相体装置和溶液中，快速监测生物识别和相互作用互作用【生物体内生化反应生物体内生化反应】，并对其进，并对其进行定量。行定量。生物传感器的结构生物传感器的结构 传感器是由生物活性物质和检测器构成的一种传感器是由生物活性物质和检测器构成的一种装置。它包含三个部分：（装置。它包含三个部分：（1）感应）感应【灵敏灵敏】部分（从生物体中获得的活性物质）部分（从生物体中获得的活性物质） （2）传感器或检测器：把检测到的信号转化）传感器或检测器：把检测到的信号转化成可识别的，量化输出（信号）信号处理器成可识别的，量化输出（信号）信号处理器 （3）信号处理器：把转化来的信号通过一种）信号处理

5、器：把转化来的信号通过一种便于理解的方式显示出来，提供给使用者便于理解的方式显示出来，提供给使用者* *在在DNADNA生物传感器中，感应部分一般包生物传感器中，感应部分一般包含单链含单链DNADNA分子。这种单链分子。这种单链DNADNA分子可以分子可以和互补的另一条和互补的另一条DNADNA单链发生单链发生DNADNA分子杂分子杂化。化。* *DNADNA生物传感器是一种近年来发展很快生物传感器是一种近年来发展很快的新型传感器。的新型传感器。与传统的核酸检测方法相比，该方法更与传统的核酸检测方法相比，该方法更简单，灵敏，高选择性，操作方便且价简单，灵敏，高选择性，操作方便且价格便宜。格便宜

6、。DNA传感器在研究基因表达，传感器在研究基因表达，基因型分型，基因测试学，病原体区分，基因型分型，基因测试学，病原体区分，药物研发，基因测序和分子诊断方面有药物研发，基因测序和分子诊断方面有重大意义和价值。重大意义和价值。2.2.工作原理工作原理 DNA生物传感器的设计是基于核酸分子杂生物传感器的设计是基于核酸分子杂化的动力学。电化学方法检测化的动力学。电化学方法检测DNA分子杂分子杂化通常需要监测实时的响应（信号）。这化通常需要监测实时的响应（信号）。这是以互补配对识别为原则，且要在可控制是以互补配对识别为原则，且要在可控制的电极电势条件下。的电极电势条件下。 修饰过的探针修饰过的探针【电

7、极电极】通常都浸入含有待通常都浸入含有待测测DNA的溶液中，用来检测目标的溶液中，用来检测目标DNA的碱基的碱基序列。当目标序列。当目标DNA含有与固定在电极表面含有与固定在电极表面充当修饰物的低核苷酸相匹配时，它们就充当修饰物的低核苷酸相匹配时，它们就会在电极表面形成杂化会在电极表面形成杂化DNA双螺旋分子。双螺旋分子。General design of DNA biosensor3.3.重要影响因素重要影响因素 3.1在电极固体表面固定在电极固体表面固定DNA探针探针 为了保证电极有好的灵敏度，探针的为了保证电极有好的灵敏度，探针的稳定稳定性性在制备生物传感器的过程中十分重要。在制备生物传

8、感器的过程中十分重要。同时，能否得到好的响应性和选择性取决同时，能否得到好的响应性和选择性取决于于DNA分子杂化效率分子杂化效率和和杂质吸附杂质吸附的最小化。的最小化。控制界面化学反应控制界面化学反应和和覆盖效果覆盖效果是获得电极是获得电极表面探针高稳定性必不可少的条件。表面探针高稳定性必不可少的条件。3.2 DNA电化学探针的设计和选择性电化学探针的设计和选择性 要提高要提高DNA分子杂交过程，即分子杂交过程，即DNA探针和与探针和与其互补的其互补的DNA片段结合的特异性，决定因片段结合的特异性，决定因素在于素在于DNA电化学探针的设计。电化学探针的设计。 有很多种不同结构的有很多种不同结构

9、的DNA探针：探针： 单链单链cDNA, 发夹结构的发夹结构的DNA，肽核酸，肽核酸PNA和和锁核酸锁核酸LNA 这些固定在电极表面的这些固定在电极表面的DNA电化学探针会电化学探针会影响分子杂交效率。分子杂交效率在影响分子杂交效率。分子杂交效率在DNA生化传感器的灵敏度和特异性方面发挥重生化传感器的灵敏度和特异性方面发挥重要作用。要作用。 由于结构特殊，发夹型由于结构特殊，发夹型DNA表现出特殊的表现出特殊的性质：性质： 单碱基错配的识别能力，固有的单碱基错配的识别能力，固有的【固有特固有特性性】高灵敏度的信号传导机制，不需要分高灵敏度的信号传导机制，不需要分离杂化的和为杂化的探针就能检测出

10、目标离杂化的和为杂化的探针就能检测出目标的杂化分子的能力）的杂化分子的能力） 因此，在检测特定基因时，发夹型因此，在检测特定基因时，发夹型DNA探探针比传统针比传统DNA探针更受欢迎。探针更受欢迎。4.DNA分子杂交的电化学信号传导分子杂交的电化学信号传导 一般通过特定氧化还原指示器电流信号的改变一般通过特定氧化还原指示器电流信号的改变来检测来检测DNA分子杂化反应。分子杂化反应。 1.直接电化学直接电化学DNA检测方法检测方法 节省时间，节省开支节省时间，节省开支 2.非直接非直接电化学电化学DNA检测方法检测方法 灵敏度较好灵敏度较好；间接电化学检测手段能在原子级；间接电化学检测手段能在原

11、子级别对目标别对目标DNA的浓度产生响应。间接法需要能的浓度产生响应。间接法需要能够允许与电极发生可逆电子交换的介质。已经够允许与电极发生可逆电子交换的介质。已经报道了通过电化学媒介体间接氧化目标报道了通过电化学媒介体间接氧化目标DNA的的方法。方法。特定特定DNA氧化还原指示剂检测法氧化还原指示剂检测法 陈等人首次制备了一种新型的陈等人首次制备了一种新型的2-nitroacridone 2-硝基吖啶酮硝基吖啶酮NAD电化学指电化学指示剂，将其用于发夹型示剂，将其用于发夹型DNA探针，从而制探针，从而制备出一种检测备出一种检测CML中的中的BCR/ABL 融合基因的融合基因的电化学传感器。这种

12、传感器在检测电化学传感器。这种传感器在检测PCR扩增扩增样本时也能得到满意的结果。样本时也能得到满意的结果。用纳米材料进行电化学信号放大的用纳米材料进行电化学信号放大的DNADNA检测技术检测技术 WangWang使用涂有二茂铁基己硫醇和链霉亲和使用涂有二茂铁基己硫醇和链霉亲和素的素的 金金NPNP电极。（后者是用于依附连接生电极。（后者是用于依附连接生物素化的物素化的DNADNA探针。探针。 该法不需要酶或者酶基底，实验简便该法不需要酶或者酶基底，实验简便 二茂铁基己硫醇起到了信号放大的作用。二茂铁基己硫醇起到了信号放大的作用。酶促DNA传感器文章作者报道了一种文章作者报道了一种新型新型DN

13、A传感器，该传感器，该传感器基于经典的传感器基于经典的“三明治三明治”传感器检测传感器检测模型模型。电极表面包含。电极表面包含一对作为链霉亲和素一对作为链霉亲和素-辣根（辣根（avidin-HRP）过氧化物酶的连接标过氧化物酶的连接标记的记的LNA探针和生物探针和生物素基报告探针。素基报告探针。 该传感器用于检测PML/RARa 融合基因。 因为生物素能与链霉亲和素链霉亲和素-辣根过氧化物辣根过氧化物酶酶相结合，该传感器在检测目标DNA时能提供一个酶促的电化学（电流）信号。在简单分子杂交体系中，可通过极谱法测定DNA碎片和它的互补DNA碎片。检出限是74fM，线性响应范围0.110 pM。该传

14、感器在识别DNA互补序列和不同的错配DNA序列表现出高度的特异性。这个新型传感器在有多对DNA分子的杂交体系中也表现表现出高灵敏度和选择性。其他方法其他方法 纳米材料信号扩增DNA检测 NPG纳米孔金电极纳米孔金电极 Yang等人首次报道了一种利用单壁碳纳米等人首次报道了一种利用单壁碳纳米管制备管制备DNA传感器的简便途径。传感器的简便途径。 酶促反应DNA检测 a classical sandwich assay 经典的三明治分析经典的三明治分析法法【三明治分析法三明治分析法(IRMA) 】5.5.结论部分结论部分 过去十年来核酸电化学生物传感器有了长过去十年来核酸电化学生物传感器有了长足发展。由于在获取特定足发展。由于在获取特定DNADNA序列信息方序列信息方面更简单，快速，廉价（相比传统核酸检面更简单，快速，廉价（相比传