电化学DNA生物传感器的研究现状

电化学DNA生物传感器的研究现状（2篇）

1.电化学DNA生物传感器的研究现状 篇一

电化学检测技术由于其具有选择性好、灵敏度高、快速、简单、测试费用低及易于联机化等优点[6],备受生物界人士的关注,出现了核酸适体与电化学检测技术的结合。本研究依据电化学适体传感器的构建原理中DNA链的数量和结构,对近几年电化学适体传感器的研究发展做一简要综述。

1 核酸适体电化学传感器

核酸适体电化学传感器是利用核酸适体作为识别的接受器(receptor),以电化学电极、热敏电阻、场效应晶体管、压电石英晶体等作为换能器(transducer),再加上电子线路(electroniccontrol circuit)三部分组成,是一种可以对待测物质进行定性定量检测的装置[7]。

根据核酸适体电化学传感器的构建原理可以将其分为单链核酸物质体系构建的核酸适体电化学传感器、双螺旋结构的核酸物质体系构建的核酸适体电化学传感器和两条单链核酸物质体系构建的核酸适体电化学传感器。

1.1 单链核酸物质体系构建的核酸适体电化学传感器

此种类型的电化学传感器是利用核酸适体与靶物质直接结合设计,通过电化学参数直接测量,没有其它核酸物质的引入。其方法是首先在适当的温度、p H值和离子强度条件下将适体固定到电极表面,将待测目的物加入电极表面,目的物与适体发生作用,从而导致电极表面结构的变化;然后通过检测电极表面电活性识别元素的电信号,达到识别和鉴定靶物质的目的[8]。根据是否标记可分为标记型和非标记型。

标记型指应用标记物二茂铁(ferrocene,Fc)、亚甲基蓝methyleneblue,MB)等电化学高活性小分子物质、酶等标记适体,然后固定在电极,当适体与靶物质结合后因特殊空间构象,标记物离开或接近电极,其中大部分属于“电化学开关”型传感器,这类传感器又可大致分为信号衰减(signal-off)型和信号增强(signal-on)型两类[9]。

非标记型在没有标记物存在时,获得的电化学检测信号往往是适体与靶物质结合后,亲合对([Fe(CN)6]3-/4-)导致的传质或电子传递位阻变化[10]。将适体固定在电极上,由于适体的磷酸骨架荷负电,静电排斥亲和对[Fe(CN)6]3-/4-,电子传递电阻值较大;当适体与蛋白结合后,由于蛋白等电点的电性和空间位阻作用,对电子传递的阻碍作用发生变化,电子传递电阻值增大或降低。

此类方法的缺点是适体被固定在电极表面,由于适体片段较小,易影响其结构,从而影响与靶物质的结合,其固定方法是关键点和难点。

1.2 双链核酸物质体系构建的核酸适体电化学传感器

1.2.1 不完全双链结构

Shen等[11]将巯基修饰腺苷单磷酸(adenosinemonoph osphate,AMP)适体与一条较短的互补链杂交,形成“半双链”结构,然后固定至金电极表面,“半双链”结构使电极带负电,可吸附带正电的六氨合钌阳离子[Ru(NH3)6]3+。加入AMP与适体结合后,双链解开,释放的短互补链携带一部分[Ru(NH3)6]3+离开电极,产生明显的信号变化。

Zhang Y L等[12]将一段捕获探针自组装至金电极表面,设计一条长链,一端为修饰二茂铁基的捕获探针的互补碱基序列,另一端为核酸适体片段:当没有目标分子PDGF时,电极表面固定的寡核苷酸链太短导致无法启动有效退火,因而不能与适体链连接的互补片段杂交,二茂铁不能接近电极表面,电流信号小;而当PDGF存在时,溶液中增加了电极表面适体(互补链)的浓度,从而可提高杂交效率。二茂铁也被引入电极表面,产生或增强电信号。

Bang等[13]设计了一条包含有凝血酶适体片段的DNA长链,长链的两端分别为凝血酶适体片段和巯基化的与凝血酶适体序列互补的碱基序列,中间为一段自由碱基序列。此DNA链自发形成有一段双链的茎环式结构,将此茎环式探针自组装至金电极表面,加入的正电性亚甲基蓝小分子能嵌入双链中,形成发夹结构,亚甲基蓝与电极间进行电子隧穿,产生电信号。外加凝血酶与适体结合后,亲合力较弱的DNA双链解开“发夹”结构被打开,亚甲基蓝被释放并扩散离开电极,导致其氧化还原电流信号降低。用该法可检测到11nmol·L-1的凝血酶。

zhang等将纳米技术与核酸适体相结合,研制成功一种腺苷分子传感器,其原理是引入3个核苷酸片段,其中一个标记巯基,序列为适体片段的互补碱基作为巯基捕获探针(Ⅰ);一个标记纳米金作为纳米金捕获探针(Ⅱ);一个含适体序列且一端含纳米金捕获探针的互补碱基序列(Ⅲ)。首先在金电极表面自组装一层纳米金,然后通过金-硫键将Ⅰ号探针固定在金电极表面;然后将Ⅱ号探针与Ⅲ号DNA分子杂交,后与金电极表面的Ⅰ号探针分子杂交,固定于金电极;引入[Ru(NH3)6]3+离子,使电极表面呈正电荷;加入腺苷分子后,腺苷分子与适体特异性结合,纳米金捕获探针(Ⅱ)脱离电极,因纳米金捕获探针(Ⅱ)带负电荷,中和一部分[Ru(NH3)6]3+离子,导致电荷变化,从而获得电信号的变化。

1.2.2 完全双链结构

将核酸适体的互补链固定在电极表面,然后与标记过电活性物质的核酸适体分子杂交,形成双螺旋结构。当加入靶物质时,由于靶物质与适体的高亲和力结合,使核酸适体从电极脱落,电活性物质接近或远离电极,从而产生电信号变化[15]。

Feng等[16]将腺苷适体的互补链固定在金电极表面,然后适体识别与其杂交,形成双螺旋结构。带正电亚甲基蓝分子直接吸附至带负电适体的单链部分或嵌入双链结构中,并与电极表面发生有效电子隧穿,产生氧化还原电流。加入腺苷后,腺苷与适体结合,双链被打开,适体与腺苷的复合体携带部分亚甲基蓝离开电极,导致氧化还原电流降低,藉此可检测腺苷,检测下限达1nmol·L-1。

Zuo等[17]将ATP适体的互补链自组装至金电极表面,与两端分别修饰了巯基和二茂铁基的ATP适体杂交,构建了signal-on型ATP适体传感器。此双螺旋结构长度超过电子最大隧穿距离(>10nm),且二茂铁也不像亚甲基蓝分子那样,能与双链核酸结构形成共轭结构而实现长程电子传递,故这里的电活性标记物二茂铁无法与电极交换电子,只能检测到极微弱的电流信号。当加入目标分子ATP后,ATP与适体结合,使原有的双链解开,电极端呈负电荷,吸附二茂铁基至电极表面,实现与电极间的电子传递或隧穿,氧化还原电流显著增强。

1.3 两条单链核酸物质体系构建的核酸适体电化学传感器

根据核酸适体与靶物质的结合位点个数或适体数量,将能与靶物质特异性结合的一条核酸适体作为捕获探针与靶物质先结合,然后加入另外一条具有不同结合位点的核酸适体(可进行酶标或不同金属硫化物纳米粒子标记)加入反应体系,形成“三明治结构”。通过检测酶催化反应或金属离子的溶出峰,达到定量分析。

zheng等[18]利用凝血酶蛋白有两个结合位点,首先将凝血酶蛋白的一条适体作为捕获探针与磁性纳米粒子特异性组装,加入凝血酶蛋白后引入另一条用金胶标记的核酸适体,形成“磁性纳米粒子—凝血酶蛋白—金胶标记的核酸适体”,后利用磁铁将"三明治结构"吸附于工作电极,加入0.1 mol/LHCl,插入参比电极和辅助电极,在+1.25 V恒电位预氧化,使金胶颗粒中的金原子氧化成Au(Ⅲ)离子,再通过检测三价金离子的还原来实现对凝血酶的定量检测,检测精度可达1.42pmol·L-1。

Hansen等[19]报道了一种基于不同金属硫化物纳米粒子标记的、用于同时检测凝血酶和溶菌酶的灵敏传感器。用不同金属硫化物纳米粒子标记的、用于同时检测凝血酶和溶菌酶的灵敏传感器。首先,巯基化凝血酶适体和巯基化溶菌酶适体混合自组装至金电极表面,并分别捕获Cd S标记的凝血酶和Pb S标记的溶菌酶。采用溶出伏安法检测电极表面剩余的纳米粒子的金属溶出电信号,在-0.5V和-0.65V处检测Pb2+和Cd2+的溶出峰,可实现对凝血酶和溶菌酶的同时检测。

2 结语与展望

电化学适体传感器具有选择性好、灵敏度高、测试费用低、操作简便、不破坏测试体系、不受颜色影响及适于联机化的优点,吸引了越来越多的研究小组进入这一研究行列。开辟了电化学与分子生物学的新领域,汇集了电活性物质、纳米材料、酶、量子点等标记物材料,为生命科学的研究提供了一种方法。对食品卫生、环境监测、临床医学诊断和药物筛选工作的进行具有深远的价值,虽然在传感器的设计、特性、灵敏度、稳定性以及实际应用方面已经取得了显著的发展,但适体电化学传感器的研究还处于起步阶段。提高适体电化学传感器的稳定性和灵敏度,仍然是适体电化学传感器研究的热点。随着适体在生物体内易降解等不利因素的有效克服以及高敏、简便、廉价的适体传感器件的实际应用,将是电化学适体传感器未来发展的重点。随着各种新材料与新技术的引进,适体在生物传感及医学检验领域的研究和应用将展现广阔的发展前景。

摘要：核酸适体(aptamer)是一种体外筛选,功能类似于单克隆抗体的,能与靶物质高特异性、高亲和力结合的寡核苷酸片段。因其具有诸多优于抗体的特点,已被广泛应用到生物传感器领域。而电化学检测技术因其具有选择性好、灵敏度高,以及快速、简单、测试费用低和易于联机化等优点而在适体传感器的发展中占有重要的地位。本研究依据电化学适体传感器的构建原理中DNA链的数量和结构,对近几年电化学适体传感器的研究发展做一综述,包括单链核酸物质体系构建的核酸适体电化学传感器、双螺旋结构的核酸物质体系构建的核酸适体电化学传感器和两条单链核酸物质体系构建的核酸适体电化学传感器。

2.生物传感器技术产业发展现状研究 篇二

从20世纪60年代Clark和Lyon提出生物传感器的设想开始, 生物传感器的发展已经距今已有40多年的历史了。随着社会的进一步信息化, 作为一门在生命科学和信息科学之间发展起来的交叉学科, 生物传感器在发酵工艺、环境监测、食品工程、临床医学、军事及军事医学等方面得到了深度重视和广泛应用。

1 生物传感器的概念

生物传感器是“使用固定化的生物分子结合换能器, 用来侦测生体内或生体外的环境化学物质或与之起特异性交互作用后产生响应的一种装置”。待测物质经扩散作用进入生物活性材料, 经分子识别, 发生生物学反应, 产生的信息继而被相应的物理或化学换能器转变成可定量和可处理的电信号, 再经二次仪表放大并输出, 便可知道待测物浓度。所以生物传感器结构包括:一种或数种相关生物活性材料及能把生物活性表达信号转换为电信号的物理或化学换能器, 二者组合在一起, 用现代微电子和自动化仪表技术进行生物信号的再加工, 构成各种可以使用的生物传感器分析装置、仪器和系统。

根据生物学和电子工程学各自的范畴, 生物传感器主要有以下两种分类方式:

1.1 根据生物传感器中信号检测器上的敏感物质分

生物传感器与其它传感器的最大区别在于生物传感器的信号检侧器中含有敏感的生命物质。这些敏感物质有酶、微生物、动植物组织、细胞器、抗原和抗体等。根据敏感物质的不同, 生物传感器可分酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞器传感器、免疫传感器等。生物学工作者习惯于采用这种分类方法。

1.2 根据生物传感器的信号转换器分类

生物传感器中的信号转换器与传统的转换器并没有本质的区别。例如:可以利用电化学电极、场效应晶体管、热敏电阻、光电器件、声学装置等作为生物传感器中的信号转换器。据此又将传感器分为电化学生物传感器、半导体生物传感器、测热型生物传感器、测光型生物传感器、测声型生物传感器等。电子工程学工作者习惯于采用这种分类方法。

2 国内产业现状

当前我国自主研发的生物传感器产品及跨国企业集团在中国推出的产品共存并相互竞争。一些掌握生物传感器技术的跨国大企业集团, 看好被称为“世界工厂”的中国市场, 采取技术输出的途径, 吸收我国的技术力量和销售路径, 在我国市场进行生物传感器的开发、产品制造和销售。一部份海外留学归国的生物传感器专门人才也将自己的成果在中国转化并设厂办企业。家用保健类生物传感器技术已率先较好地实现了产业化突破, 取得了显著经济效益。固定化酶生物传感器作为一类多品种的精密科学仪器, 支撑了一部份生物技术过程检测, 对传统生物产业技术改造具有重要意义。我国生物传感器产业表现的空前繁荣景象代表了当前世界生物传感器产业的主要潮流。

3 生物传感器在当前的主要应用领域

3.1 发酵工业

因为发酵过程中常存在对酶的干扰物质, 并且发酵液往往不是清澈透明的, 不适用于光谱等方法测定。而应用微生物传感器则极有可能消除干扰, 并且不受发酵液混浊程度的限制。同时, 由于发酵工业是大规模的生产, 微生物传感器其成本低设备简单的特点使其具有极大的优势。所以具有成本低、设备简单、不受发酵液混浊程度的限制、能消除发酵过程中干扰物质的干扰的微生物传感器发酵工业中得到了广泛的应用。目前已有相关报道在发酵工业生产中将生物传感器应用于原材料及代谢产物的测定, 微生物细胞总数的测定以及代谢试验的鉴定中。

3.2 食品工业

生物传感器可以用来检测食品中营养成分和有害成分的含量、食品的新鲜程度等。如已经开发出来的酶电极型生物传感器可用来分析白酒、苹果汁、果酱和蜂蜜中的葡萄糖含量, 从而衡量水果的成熟度。采用亚硫酸盐氧化酶为敏感材料制成的电流型二氧化硫酶电极可用于测定食品中的亚硫酸含量。此外, 也有用生物传感器测定色素和乳化剂的应用。

3.3 医学领域

生物传感器在医学领域也发挥着越来越大的作用:临床上用免疫传感器等生物传感器来检测体液中的各种化学成分, 为医生的诊断提供依据;在军事医学中, 对生物毒素的及时快速检测是防御生物武器的有效措施。生物传感器已应用于监测多种细菌、病毒及其毒素。生物传感器还可以用来测量乙酸、乳酸、乳糖、尿酸、尿素、抗生素、谷氨酸等各种氨基酸, 以及各种致癌和致变物质。

3.4 环境监测

环保问题已经引起了全球性的广泛关注, 在发达国家如英国、法国、德国、西班牙和瑞典, 在农药残留检测、酸雨监测、水体富营养化监测等过程都采用了生物冷光型的生物传感器。用于环境监测的专业仪器市场越来越大, 目前已经有相当数量的生物传感器投入到大气和水中各种污染物质含量的监测中去, 生物传感器因其具有快速, 连续在线监测的优点, 相信在未来, 还会有更广泛的应用。

4 未来的展望

生物传感器是一个多学科交叉的高技术领域, 伴随着生物科学、信息科学和材料科学等相关学科的高速发展, 生物传感器的发展将会有以下新特点:

4.1 功能更加全面, 并向微型化发展

未来的生物传感器将进一步涉及医疗保健、食品检测、环境监测、发酵工业的各个领域。当前生物传感器研究中的重要内容之一就是研究能代替生物视觉、听觉和触觉等感觉器官的生物传感器, 即仿生传感器。而且随着微加工技术和纳米技术的进步, 生物传感器将不断地微型化, 各种便携式生物传感器的出现使人们面前。

4.2 智能化程度更高

未来的生物传感器将会和计算机完美紧密的结合, 能够自动采集数据、处理数据, 可以更科学、更准确地提供结果, 实现采样、进样、最终形成检测的自动化系统。同时, 芯片技术将越来越多地进入传感器领域, 实现检测系统的集成化、一体化。

随着技术的发展, 基于细胞受体和自由振荡等现象的新原理的生物传感器也不断涌现。相信随着一些关键技术 (如固定化技术) 的进一步完善, 随着人们对生物体认识的不断深入, 随着各学科的不断发展, 生物传感器在未来必将会更大的作为。

摘要：简述了生物传感器近年来的研究与应用, 对其发展前景及市场化作了预测及展望。生物传感器因其专一性好、易操作、设备简单、测量快速准确、适用范围广等特点, 在发酵工业、环境监测、食品监测、临床医学等方面得到广泛的应用。随着固定化技术的发展, 生物传感器在市场上越来越具有竞争力。

关键词：生物传感器,发酵工业,环境监测

参考文献

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