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1、脱氧核糖核酸电化学传感器09021324 缪雄心摘要 对电化学DNA 传感器的组成及其在DNA 损伤研究、环境污染监控、病原基因检测、基因疾病诊断和药物机理分析等方面的应用进行了总结,并对其发展趋势进行了评述。关键词 电化学DNA传感器、脱氧核糖核酸、脱氧核糖核酸电化学传感器1.引言 最早的电化学传感器可以追溯到20世纪50年代，当时用于氧气监测。到了20世纪80年代中期，小型电化学传感器开始用于检测PEL范围内的多种不同有毒气体，并显示出了良好的敏感性与选择性。目前，为保护人身安全起见，各种电化学传感器广泛应用于许多静态与移动应用场合。 随着人类基因工程的迅速发展,传统的生化方法已不能满足需
2、要,许多新的分析方法和检测器件应运而生,DNA 传感器便是其中之一。DNA 传感器的基本原理是检测由DNA 探针所提供的分子识别过程,并通过一个换能器将检测结果转化为可识别信号。DNA 传感器种类很多,按换能方法分类,主要有光纤荧光法假布儒斯特角反射法、表面等离子共振法、压电共振法、石英晶体微天平法、表面声波法、化学发光法、电位滴定法、阻抗谱法、电容法和伏安法等。其中,基于电化学换能方法的DNA 传感器因其体积小、花费低和易微型化等特点而备受人们青睐。2. DNA电化学传感器的原理 电化学DNA 传感器一般由一个固定DNA 片段的电极和用于检测的电活性杂交指示剂构成。在适当条件下,利用两条互补
3、的DNA 单链间的特异性相互作用,使电极表面上已知序列的DNA 片段(DNA探针) 与溶液中的待测序列DNA(靶序列) 发生杂交,通过杂交前后电活性指示剂的电化学响应的变化进行测定;或使电极表面的靶序列与溶液中的已标记电化学活性物质的DNA 探针杂交来测定靶序列。在电极表面的DNA 双螺旋结构形成后,该传感器还可用于检测那些与DNA 双链有着特殊亲和力的电活性小分子。2.1 基底电极有关核酸的电化学研究早在40 多年前就已见报道,当时所使用的电极是滴汞电极。70 年代,悬汞电极和碳电极的使用使DNA 的电化学研究得以深入。80 年代末,Paleek等利用核酸修饰汞电极,将核酸伏安分析的灵敏度提
4、高了几个数量级。核酸修饰汞电极主要利用DNA 在汞表面的吸附进行痕量RNA、超螺旋DNA 及DNA 损伤的检测。由于疏水性碱基与汞电极疏水性表面之间强烈的相互作用,导致电极表面的DNA 探针无法与靶序列杂交,限制了汞电极在核酸分析中的应用。为了解决这个问题,人们将目光转向固体电极。常用于这一领域的电极为金电极和碳电极。Millan 等在1993 年就已利用玻碳电极获得了具有序列选择性的电化学DNA 传感器;随后,Hashimoto 等发展了一种基于金电极的基因检测传感器。其它碳材料如石墨电极、碳糊电极41和石墨印刷电极 等也分别被用于DNA 传感器的研制。近年来,将Pt 电极用作电化学DNA
5、传感器的研究也见报道,Napier 等则利用尼龙和硝化纤维聚合物修饰的锡掺杂的铟氧化物电极来测定DNA 上鸟嘌呤的电催化氧化。3 电化学DNA 传感器的应用核酸是已被广泛应用的分子识别工具,基于核酸识别的电化学DNA 传感器的应用已涉及环境、医药、食品等诸多领域。大致包括DNA 损伤研究、环境污染监控、病原基因检测、基因疾病诊断、药物机理分析等几个方面。3.1 DNA 损伤研究 DNA 损伤是指由于化学物质的作用或受辐射而引起的DNA 磷酸核糖骨架的断裂,磷酸、核糖或碱基的损伤等。DNA 损伤种类繁多,仅氧化损伤一类,目前已证实的就有100 多种。由于DNA 损伤会极大地扰乱生物体正常的生理活
6、动,所以,很久以来就是生化研究的一个重点。Paleek 等曾在1996年和1998 年两次对用于DNA 损伤研究的DNA 传感器进行了综述,并认为基于汞电极的传感器最适合于DNA 损伤的研究。2000 年,他们又用悬汞电极发展了一种新的DNA 传感器用于监控由Fenton反应所造成的DNA 链的断裂。3.2 环境污染监控 众所周知,许多环境污染物的毒性就表现在它们与DNA 间的相互作用,因此,DNA 传感器可被用于环境中污染物的监控。Wang 等在1997 年曾对这一方面的发展进行了综述,提出了3 种检测方案: 利用固定的双链DNA 修饰层使电活性污染物在电极上优先富集; 检测由污染物键合引起
7、的电极表面修饰核酸内在氧化信号的改变; 对于非电活性的分析物,可通过它与一电活性物质在DNA 修饰电极表面的结合竞争来进行测定。其后,Krull 等又利用基于双层类脂膜(BLMs) 的电化学DNA 传感器来检测环境中黄曲霉素M1 和肼类物质,其中黄曲霉素M1 的检测限达到0. 5 mmolPL ,而肼类物质的检测限更达到gPL 级。3.3 病原基因检测 人类的许多传染性疾病是由环境中的病毒、病菌或寄生虫引起的,所以,病原基因的测定也是电化学DNA 传感器的一个重要研究领域。例如,在发展中国家每天约有11000 名儿童死于由隐孢子虫引起的腹泻,Wang 等利用一段38 个碱基的低聚核苷酸探针制备
8、了一种隐孢子虫DNA 传感器,通过计时电位溶出法检测,检测限可达到ng 级。同样的方法也可被用于检测大肠杆菌、爱滋病毒和结核杆菌等。Ozsoz 等研制出一种乙肝病毒DNA 传感器,用示差脉冲伏安法验证了该传感器对特定序列DNA 片断的选择性。Azek 等制备了巨细胞病毒的基因传感器,其检测结果比凝胶电泳灵敏23000倍,比比色杂交试验灵敏83 倍。Ivnitski 等对用于食品工业中病原细菌检测的电化学传感器的原理和应用作了总结,并对该方面未来的发展进行了展望 。3. 4 基因疾病诊断 现代医学的研究成果表明,许多疾病,如癌症和遗传病等的发生都与基因的突变有关。Hashimoto等将一段20
9、个碱基的探针固定于金电极,制备了一种用于致癌基因v2myc 序列检测的电化学传感器,实验结果证明其效果很好。Wang 等通过一段固定在传感器上的17 个碱基的肽核酸PNA 探针完成了抑癌基因P55 的点突变检测。Bardea 等在金电极上组装了一个3 组分的低聚核苷酸修饰层,通过法拉第阻抗谱法发展了一种家族蒙性白痴症的特效生化传感器。3.5 药物机理分析许多药物是通过与DNA 的结合而起作用的,因而电化学DNA 传感器是这些药物与DNA 作用机理研究的有力工具。Maeda 等用DNA 修饰电极研究了抗疟药阿的平与DNA 分子之间的强烈作用。Brett 等利用DNA 传感器研究了硝基咪唑类药物的
10、电化学还原,与普通玻碳电极相比,DNA 传感器能预富集药物,因而可达到更低的检测限。该课题组还用DNA 传感器进行了血清样品中抗癌药物Carboplatin 的电化学测定,检测限为5. 7 10 - 6 molPL。Brabec 等将修饰了质粒体DNA 的石墨电极作为抗癌药物铂类化合物的传感器,用于该类药物检测的速度快、检测限低。4 结语 作为一种新型生物传感器,电化学DNA 传感器不仅具有DNA 杂交反应高度的特异性和可逆性,又具有电化学传感器易于微型化等传统特点,已成为当今生物传感器研究的热门,是DNA 分析的重要工具。但是,迄今为止,这一领域的工作基本停留在实验室阶段,真正商品化的产品还
11、不多。困扰其发展的主要问题在于相对低的灵敏度和稳定性。为了解决灵敏度问题,人们开始引入一些DNA 扩增方法。如Marrazza 等将电化学DNA 传感器和聚合酶链反应(PCR) 结合在一起,实现了载脂蛋白E(apoE) 的不同基因型的快速区分。可以预计,随着研究的不断深入,高灵敏度的电化学DNA 传感器将得到快速发展,以适应生命科学研究和临床诊断领域的需要。5. 参考文献1. 姜雄平,许丹科,刘耀清 ,马立人 . Chinese J . Anal . Chem. (分析化学) ,2000 ,28 (1) :1216132.翟俊辉) ,崔红 ,杨瑞馥. Prog. Biochem. Biophys. (生物化学与生物物理进展) ,1997 , 24 (2) :1121153.朱滨 ,王国荃. Prog. Biochem. Biophys. (生物化学与生物物理进展) , 1997 , 24 (6) :5105134.赵元弟,庞代文,王宗礼,程介克. Chinese J . Anal . Chem. (分析化学) , 1996 , 24 (3) :2642685.Paleek E. Nature , 1960 , 188 :656658
