DNA生物傳感器的發(fā)展

1、Development of Development of electrochemical DNA electrochemical DNA biosensorsbiosensorsDNADNA生物傳感器的發(fā)展生物傳感器的發(fā)展摘要部分 由于快速響應(yīng)，高靈敏度，高選擇性和實(shí)由于快速響應(yīng)，高靈敏度，高選擇性和實(shí)驗(yàn)方法簡(jiǎn)便易行，驗(yàn)方法簡(jiǎn)便易行，DNA生物傳感器的應(yīng)用生物傳感器的應(yīng)用吸引了廣泛的注意。本文回顧了吸引了廣泛的注意。本文回顧了DNA生物生物傳感器和被人們提及的、各種用于在制備傳感器和被人們提及的、各種用于在制備傳感器時(shí)克服它們?cè)谶x擇性和靈敏度方面?zhèn)鞲衅鲿r(shí)克服它們?cè)谶x擇性和靈敏度方面局限性的方

2、法。我們同時(shí)還討論了他們的局限性的方法。我們同時(shí)還討論了他們的表現(xiàn)和前景。表現(xiàn)和前景。1.背景和簡(jiǎn)介 生物傳感器的種類按照其感受器中所采用的生命物質(zhì)分類,可分為:微生物傳感器、免疫傳感器、 組織傳感器、 細(xì)胞傳感器、 酶?jìng)鞲衅鳌?DNA傳感器等。生物傳感器的特點(diǎn) (1)采用固定化生物活性物質(zhì)作催化劑,價(jià)值昂貴的試劑可以重復(fù)多次使用,節(jié)約成本簡(jiǎn)化過程 (2)專一性強(qiáng) (3)分析速度快 (4)準(zhǔn)確度高,一般相對(duì)誤差可以達(dá)到 1%(5)操作系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單,容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分析(6)有的生物傳感器能夠可靠地指示生物系統(tǒng)內(nèi)的實(shí)時(shí)狀況 DNA傳感器的生物學(xué)基礎(chǔ)傳感器的生物學(xué)基礎(chǔ) DNA堿基序列和它對(duì)應(yīng)的堿基互補(bǔ)

3、的鏈段堿基序列和它對(duì)應(yīng)的堿基互補(bǔ)的鏈段之間的雜化，是所有由之間的雜化，是所有由DNA決定的技術(shù)的決定的技術(shù)的基礎(chǔ)基礎(chǔ)。一些傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)：一些傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)： 聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR），基因測(cè)序技術(shù)），基因測(cè)序技術(shù) 盡管那些傳統(tǒng)技術(shù)給盡管那些傳統(tǒng)技術(shù)給DNA診斷的實(shí)驗(yàn)室方診斷的實(shí)驗(yàn)室方法提供了最佳標(biāo)準(zhǔn)，但他們卻不能滿足用法提供了最佳標(biāo)準(zhǔn)，但他們卻不能滿足用于臨床上的即時(shí)檢測(cè)。因此，研究者仍在于臨床上的即時(shí)檢測(cè)。因此，研究者仍在努力尋找快速響應(yīng)、高靈敏度、高選擇性努力尋找快速響應(yīng)、高靈敏度、高選擇性和實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)便的方法。這種方法能在固和實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)便的方法。這種方法能在固體裝置和溶液中

4、，快速監(jiān)測(cè)生物識(shí)別和相體裝置和溶液中，快速監(jiān)測(cè)生物識(shí)別和相互作用互作用【生物體內(nèi)生化反應(yīng)生物體內(nèi)生化反應(yīng)】，并對(duì)其進(jìn)，并對(duì)其進(jìn)行定量。行定量。生物傳感器的結(jié)構(gòu)生物傳感器的結(jié)構(gòu) 傳感器是由生物活性物質(zhì)和檢測(cè)器構(gòu)成的一種傳感器是由生物活性物質(zhì)和檢測(cè)器構(gòu)成的一種裝置。它包含三個(gè)部分：（裝置。它包含三個(gè)部分：（1）感應(yīng)）感應(yīng)【靈敏靈敏】部分（從生物體中獲得的活性物質(zhì)）部分（從生物體中獲得的活性物質(zhì)） （2）傳感器或檢測(cè)器：把檢測(cè)到的信號(hào)轉(zhuǎn)化）傳感器或檢測(cè)器：把檢測(cè)到的信號(hào)轉(zhuǎn)化成可識(shí)別的，量化輸出（信號(hào)）信號(hào)處理器成可識(shí)別的，量化輸出（信號(hào)）信號(hào)處理器 （3）信號(hào)處理器：把轉(zhuǎn)化來(lái)的信號(hào)通過一種）信號(hào)處理

5、器：把轉(zhuǎn)化來(lái)的信號(hào)通過一種便于理解的方式顯示出來(lái)，提供給使用者便于理解的方式顯示出來(lái)，提供給使用者* *在在DNADNA生物傳感器中，感應(yīng)部分一般包生物傳感器中，感應(yīng)部分一般包含單鏈含單鏈DNADNA分子。這種單鏈分子。這種單鏈DNADNA分子可以分子可以和互補(bǔ)的另一條和互補(bǔ)的另一條DNADNA單鏈發(fā)生單鏈發(fā)生DNADNA分子雜分子雜化?；?。* *DNADNA生物傳感器是一種近年來(lái)發(fā)展很快生物傳感器是一種近年來(lái)發(fā)展很快的新型傳感器。的新型傳感器。與傳統(tǒng)的核酸檢測(cè)方法相比，該方法更與傳統(tǒng)的核酸檢測(cè)方法相比，該方法更簡(jiǎn)單，靈敏，高選擇性，操作方便且價(jià)簡(jiǎn)單，靈敏，高選擇性，操作方便且價(jià)格便宜。格便宜

6、。DNA傳感器在研究基因表達(dá)，傳感器在研究基因表達(dá)，基因型分型，基因測(cè)試學(xué)，病原體區(qū)分，基因型分型，基因測(cè)試學(xué)，病原體區(qū)分，藥物研發(fā)，基因測(cè)序和分子診斷方面有藥物研發(fā)，基因測(cè)序和分子診斷方面有重大意義和價(jià)值。重大意義和價(jià)值。2.2.工作原理工作原理 DNA生物傳感器的設(shè)計(jì)是基于核酸分子雜生物傳感器的設(shè)計(jì)是基于核酸分子雜化的動(dòng)力學(xué)。電化學(xué)方法檢測(cè)化的動(dòng)力學(xué)。電化學(xué)方法檢測(cè)DNA分子雜分子雜化通常需要監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)的響應(yīng)（信號(hào)）。這化通常需要監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)的響應(yīng)（信號(hào)）。這是以互補(bǔ)配對(duì)識(shí)別為原則，且要在可控制是以互補(bǔ)配對(duì)識(shí)別為原則，且要在可控制的電極電勢(shì)條件下。的電極電勢(shì)條件下。 修飾過的探針修飾過的探針【電

7、極電極】通常都浸入含有待通常都浸入含有待測(cè)測(cè)DNA的溶液中，用來(lái)檢測(cè)目標(biāo)的溶液中，用來(lái)檢測(cè)目標(biāo)DNA的堿基的堿基序列。當(dāng)目標(biāo)序列。當(dāng)目標(biāo)DNA含有與固定在電極表面含有與固定在電極表面充當(dāng)修飾物的低核苷酸相匹配時(shí)，它們就充當(dāng)修飾物的低核苷酸相匹配時(shí)，它們就會(huì)在電極表面形成雜化會(huì)在電極表面形成雜化DNA雙螺旋分子。雙螺旋分子。General design of DNA biosensor3.3.重要影響因素重要影響因素 3.1在電極固體表面固定在電極固體表面固定DNA探針探針 為了保證電極有好的靈敏度，探針的為了保證電極有好的靈敏度，探針的穩(wěn)定穩(wěn)定性性在制備生物傳感器的過程中十分重要。在制備生物傳

8、感器的過程中十分重要。同時(shí)，能否得到好的響應(yīng)性和選擇性取決同時(shí)，能否得到好的響應(yīng)性和選擇性取決于于DNA分子雜化效率分子雜化效率和和雜質(zhì)吸附雜質(zhì)吸附的最小化。的最小化?？刂平缑婊瘜W(xué)反應(yīng)控制界面化學(xué)反應(yīng)和和覆蓋效果覆蓋效果是獲得電極是獲得電極表面探針高穩(wěn)定性必不可少的條件。表面探針高穩(wěn)定性必不可少的條件。3.2 DNA電化學(xué)探針的設(shè)計(jì)和選擇性電化學(xué)探針的設(shè)計(jì)和選擇性 要提高要提高DNA分子雜交過程，即分子雜交過程，即DNA探針和與探針和與其互補(bǔ)的其互補(bǔ)的DNA片段結(jié)合的特異性，決定因片段結(jié)合的特異性，決定因素在于素在于DNA電化學(xué)探針的設(shè)計(jì)。電化學(xué)探針的設(shè)計(jì)。 有很多種不同結(jié)構(gòu)的有很多種不同結(jié)構(gòu)

9、的DNA探針：探針： 單鏈單鏈cDNA, 發(fā)夾結(jié)構(gòu)的發(fā)夾結(jié)構(gòu)的DNA，肽核酸，肽核酸PNA和和鎖核酸鎖核酸LNA 這些固定在電極表面的這些固定在電極表面的DNA電化學(xué)探針會(huì)電化學(xué)探針會(huì)影響分子雜交效率。分子雜交效率在影響分子雜交效率。分子雜交效率在DNA生化傳感器的靈敏度和特異性方面發(fā)揮重生化傳感器的靈敏度和特異性方面發(fā)揮重要作用。要作用。 由于結(jié)構(gòu)特殊，發(fā)夾型由于結(jié)構(gòu)特殊，發(fā)夾型DNA表現(xiàn)出特殊的表現(xiàn)出特殊的性質(zhì)：性質(zhì)： 單堿基錯(cuò)配的識(shí)別能力，固有的單堿基錯(cuò)配的識(shí)別能力，固有的【固有特固有特性性】高靈敏度的信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制，不需要分高靈敏度的信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制，不需要分離雜化的和為雜化的探針就能檢測(cè)出

10、目標(biāo)離雜化的和為雜化的探針就能檢測(cè)出目標(biāo)的雜化分子的能力）的雜化分子的能力） 因此，在檢測(cè)特定基因時(shí)，發(fā)夾型因此，在檢測(cè)特定基因時(shí)，發(fā)夾型DNA探探針比傳統(tǒng)針比傳統(tǒng)DNA探針更受歡迎。探針更受歡迎。4.DNA分子雜交的電化學(xué)信號(hào)傳導(dǎo)分子雜交的電化學(xué)信號(hào)傳導(dǎo) 一般通過特定氧化還原指示器電流信號(hào)的改變一般通過特定氧化還原指示器電流信號(hào)的改變來(lái)檢測(cè)來(lái)檢測(cè)DNA分子雜化反應(yīng)。分子雜化反應(yīng)。 1.直接電化學(xué)直接電化學(xué)DNA檢測(cè)方法檢測(cè)方法 節(jié)省時(shí)間，節(jié)省開支節(jié)省時(shí)間，節(jié)省開支 2.非直接非直接電化學(xué)電化學(xué)DNA檢測(cè)方法檢測(cè)方法 靈敏度較好靈敏度較好；間接電化學(xué)檢測(cè)手段能在原子級(jí)；間接電化學(xué)檢測(cè)手段能在原

11、子級(jí)別對(duì)目標(biāo)別對(duì)目標(biāo)DNA的濃度產(chǎn)生響應(yīng)。間接法需要能的濃度產(chǎn)生響應(yīng)。間接法需要能夠允許與電極發(fā)生可逆電子交換的介質(zhì)。已經(jīng)夠允許與電極發(fā)生可逆電子交換的介質(zhì)。已經(jīng)報(bào)道了通過電化學(xué)媒介體間接氧化目標(biāo)報(bào)道了通過電化學(xué)媒介體間接氧化目標(biāo)DNA的的方法。方法。特定特定DNA氧化還原指示劑檢測(cè)法氧化還原指示劑檢測(cè)法 陳等人首次制備了一種新型的陳等人首次制備了一種新型的2-nitroacridone 2-硝基吖啶酮硝基吖啶酮NAD電化學(xué)指電化學(xué)指示劑，將其用于發(fā)夾型示劑，將其用于發(fā)夾型DNA探針，從而制探針，從而制備出一種檢測(cè)備出一種檢測(cè)CML中的中的BCR/ABL 融合基因的融合基因的電化學(xué)傳感器。這種

12、傳感器在檢測(cè)電化學(xué)傳感器。這種傳感器在檢測(cè)PCR擴(kuò)增擴(kuò)增樣本時(shí)也能得到滿意的結(jié)果。樣本時(shí)也能得到滿意的結(jié)果。用納米材料進(jìn)行電化學(xué)信號(hào)放大的用納米材料進(jìn)行電化學(xué)信號(hào)放大的DNADNA檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)技術(shù) WangWang使用涂有二茂鐵基己硫醇和鏈霉親和使用涂有二茂鐵基己硫醇和鏈霉親和素的素的 金金NPNP電極。（后者是用于依附連接生電極。（后者是用于依附連接生物素化的物素化的DNADNA探針。探針。 該法不需要酶或者酶基底，實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)便該法不需要酶或者酶基底，實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)便 二茂鐵基己硫醇起到了信號(hào)放大的作用。二茂鐵基己硫醇起到了信號(hào)放大的作用。酶促DNA傳感器文章作者報(bào)道了一種文章作者報(bào)道了一種新型新型DN

13、A傳感器，該傳感器，該傳感器基于經(jīng)典的傳感器基于經(jīng)典的“三明治三明治”傳感器檢測(cè)傳感器檢測(cè)模型模型。電極表面包含。電極表面包含一對(duì)作為鏈霉親和素一對(duì)作為鏈霉親和素-辣根（辣根（avidin-HRP）過氧化物酶的連接標(biāo)過氧化物酶的連接標(biāo)記的記的LNA探針和生物探針和生物素基報(bào)告探針。素基報(bào)告探針。 該傳感器用于檢測(cè)PML/RARa 融合基因。 因?yàn)樯锼啬芘c鏈霉親和素鏈霉親和素-辣根過氧化物辣根過氧化物酶酶相結(jié)合，該傳感器在檢測(cè)目標(biāo)DNA時(shí)能提供一個(gè)酶促的電化學(xué)（電流）信號(hào)。在簡(jiǎn)單分子雜交體系中，可通過極譜法測(cè)定DNA碎片和它的互補(bǔ)DNA碎片。檢出限是74fM，線性響應(yīng)范圍0.110 pM。該傳

14、感器在識(shí)別DNA互補(bǔ)序列和不同的錯(cuò)配DNA序列表現(xiàn)出高度的特異性。這個(gè)新型傳感器在有多對(duì)DNA分子的雜交體系中也表現(xiàn)表現(xiàn)出高靈敏度和選擇性。其他方法其他方法 納米材料信號(hào)擴(kuò)增DNA檢測(cè) NPG納米孔金電極納米孔金電極 Yang等人首次報(bào)道了一種利用單壁碳納米等人首次報(bào)道了一種利用單壁碳納米管制備管制備DNA傳感器的簡(jiǎn)便途徑。傳感器的簡(jiǎn)便途徑。 酶促反應(yīng)DNA檢測(cè) a classical sandwich assay 經(jīng)典的三明治分析經(jīng)典的三明治分析法法【三明治分析法三明治分析法(IRMA) 】5.5.結(jié)論部分結(jié)論部分 過去十年來(lái)核酸電化學(xué)生物傳感器有了長(zhǎng)過去十年來(lái)核酸電化學(xué)生物傳感器有了長(zhǎng)足發(fā)展。由于在獲取特定足發(fā)展。由于在獲取特定DNADNA序列信息方序列信息方面更簡(jiǎn)單，快速，廉價(jià)（相比傳統(tǒng)核酸檢面更簡(jiǎn)單，快速，廉價(jià)（相比傳