DNA传感器应用研究进展

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20年第 2卷第 1 01 0 0期

传感器技术 ((l o T a￣ue eh ooy JL )n/ rr cr c n l ) L T g

L

精意D NA传感器应用研究进展李家洲，刘耘，刘仲明，刘芳！,郑文岭(. 1华南理工大学食品与生物工程学院，广东广州 5 04 16 0 2广州军区广州总医院医学实验科， .广东广州 50 1 ) 10 0摘要：N D A传感器以 D A为敏感元件 . N通过换能器将 D A与 D A、 N N N D A与 RN A及 D A与其它有机 N

无机离子之间的作用的生物学信号转变为可检测的光、声波等物理信号。近年来， N电、 D A传感器在基因诊断、环境监控、药物研究等领域的应用研究受到广泛重祝

关键词：脱氧核糖核酸传感器；基因诊断；环境监控；药物研究中图分类号： T; P 1 Q g T 223文献标识码： A文章编号：0 0 7 7 2 0 )0 0 l 3 i 0—98 (0 1 1—0 0一0

De e o m e f DNA i s ns r’ r c i a s n e e r h v lp nto b o e o S p a tc lu i g r s a cLI i-h u az 0,LI Y【,LI Z o g mig,L U a g,Z NG e - n 2 J U】 n U h n - n I F n 2 HE W nl g i( . ol f oda dBo tern, ot hn i ri T c n l y l Iz o 1 60 Ch a 1C i o n img eig S uhC ia .o F h Unv syo eh o g t lI hu5 0 4, i; e t f o G ag n 2 D p. f￣cl r盯 t, e ea Hopt un zo o a d G s . et o t a E Mei j棚 s G nrl si l G agh uC mm n, ma o 10 0 C ia I ao f￣ u5 0 1, hn )

Al rc:￣ta tDNA￣lo8ueDNA sn ii q r s s e st ede n s W i t n rei rx'l e, teit a f m{DNA v me t t h e eg t h e cta￣ J r h￣ e c o 0 nd . s o x iwt ihDNA,RNA,a s n t e n a e"aM erd it l ti.ao si, pia fr t n ta o g,a doh ri scn b

c o r re noee rc cu t o t li o ma o h tc. c c c n i n

b ee td I e￣l er,moto to cn e￣a￣e nt eDNA isno’ rcie u ig6 d .s c ed tc e nrc tyas s fi p ra c v .gvn i h n s boe s r sp a t d sn r s u h c ig n ig o t s nvrn na ntr g.a r g ee rh s e eda n si,e i me tl c o mo i i o n nddu srsa c e

K yw rsd s v bn c i ai( NA) esr gn i nsi;￣ o met[ itr g du s e ace e 0d:e x n o uh c c D o e d sno; ee a ot s e i n n amo oi; rg s rhs dg c n r n n re

0前

言

物、自由基等相互作用的生物学信号转变成可检测的光、、波等物理信号。电声 D NA在电极表面的固定方法主要有静电吸附

随着分子生物学研究的深入，脱氧核糖核酸对

(exr ou e c, A) doyi nc i ai DN的检测手段变得越来 b l c d越重要。传统的凝胶电泳法需要经过放射性标记、聚合酶链式反应 ( o meaec a e ci, CR、 p l rs h i rat n P ) y n o

法，如带负电的 D A在镀有带正电荷电介质的电 N极表面的吸附。自组装法， 5端带有巯基或硫代 ;如

电泳等一系列操作过程，耗时间长，动强度太。消劳在这种情况下， Wasr~c c以 t l f k碱基配对为基础 o i

基标记的 DN A在金表面的自组装；学免疫法，化 如 5端标记生物素的 DN在键合有抗生物素的电 A极表面的固定”。

的D NA传感器应运而生。用 D A传感器不仅省 N去了放射性标记的危险性，且扣除了电泳操作的而长时间浪费，因此近几年来受到了全世界科技工作

DN传感器的常用电极包括表面镀金的石英 A晶体、电极 (碳包括玻碳电极、碳糊电极、解石墨电裂

者的广泛重视。除了 DNA检测外， N传感器还 D A在环境监测、物研究、药法医鉴定及食品检验等多方面显示了诱人的应用前景。 D NA传感器以

D NA为敏感元件 D NA固定在用作换能器的电极上，通过电极将 DN与并 AD NA、核糖核酸 (i n c; ai, N、物、台 r o u l c c R A)药 b e d化收稿日期： 0—0—0 2 1 6 5 0 *基金项目：广东省重点攻关项日(k/ 3 1) 2 r 40 s a)皇军医卫科研基金项目(8 3 ) 9 M0 8

极及碳条电极等 )光导纤维电极、电极等。根据、汞不同的检测信号产生原理，以将 DN传感器分可 A为石英晶体传感器、化学传感器、】电光纤传感器、光渡导传感器、面等离子体传感器等 J表。 1 D A传感器用于基因诊断 N 1 1细菌及病毒感染类疾病诊断细菌及病毒感染，是引起人类疾病的主要原因

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恃感器技术

第 2卷 0

之

。历史上，多灾难性的瘟疫，霍乱、许如天花、麻

使用。

疹等，是由相应的病菌或病毒所引起的，都因此及时尽早渗断出病源微生物 (菌或病毒 )细的感染，预是防这类疾病的关键在传统方法中，菌感染是通过血液体外培养细来诊断的，这需要几天甚至几十天的时问，严重耽误

12基因遗传病诊断 基因遗传病是当前威胁人类健康的天敌，多许基因遗传病至今还没找到根治的方法，如众多癌例

症、金森氏综合症、尔菠海默氏病等。对这类帕阿病，有在发病的前期发现，有治愈的希望。只才 D A传感器诊断的快速准确性，疑迎台了该类疾 N无病诊断及时的要求，以受到众多研究者的重视，所成为近年来基因遗传病诊断研究的热点之一。

了疾病的治疗时机。过去，毒感染的诊断用的是病免疫法，通过检测感染后的病毒基因组表达产生的抗原蛋白，间接诊断。由于在病毒感染与表达出来可检测到的抗原蛋白质量浓度之问有一定的时间差，因此免疫法诊断存在明显的滞后性，这对尽早发现和治疗疾病很不利。利用 DN传感器，以在 A可

人载脂蛋白 E基因负责编码含 29个氨基酸 9残基的载脂蛋白 E。当该基因片断的第 1 2位密码 1子 ( G和第 1 8位密码子 ( G中的任何一个发 T C) 5 C C)生 T≠C的突变时，会

造成载脂蛋白 E的编码错就误，引起心血管和神经类疾病。To el等人将 mbl i含第 1 2位密码子突变基因的 2 1 5碱基探针，成制

l~2ri, n]水平上直接检测到病源微 0 0 n内在 gml a生物的存在。将 DN传感器与 P R技术结台， A C则可以实现更低浓度水平的病源微生物感染的诊断。 Wa g等人‘ n用氧化阳极法，与结核杆菌将 ( cb tr b ruoi基因 D区相对应的两个 Myo ae[ t e l s au c s) R

DN石英晶体传感器， A并用来检测发生突变的载脂蛋白 E基因的 P R扩增产物，果表明 D C结 A传感

长度分别为 2 7和 3 6碱基的 D NA探针，固定在碳糊电极表面，成电化学 D制 NA传感器。利用计时电位分析法， c ( h n 作指示剂，行了 D 以 o P e )”进 NA传感器用于结核杆菌诊断的初探武汉病毒研究所用化学免疫法固定乙型肝炎病毒( B的 D H V) A探针，来与牛肠磷酸酶 ( a?用 C d)标记的互补探针杂交，用光动力计测量杂交带人利

器不仅能准确诊断单碱基突变引起的基因病，且而杂交后的传感器经碱变性处理后，重复使用 5次可以上。

0一地中海贫血症主要是由 8一球蛋白基因片 段的第 4 l与第 4 2位密码子之间的 4个碱基对 ( T r缺失引起的。Z o ( ) h u新加坡 )人…与突等将变后的该基因互补的 l 8碱基探针，别用化学免分疫、电吸附、静自组装等方法制成石英晶体传感器， 用来检测 B一地中海贫血症患者血清的 P R扩增产 C物，并将结果与其它方法对照，现该种方法诊断准发确率达 10。 0%

的 C P释放出的光强度，证了 D A验 NA传感器进行船 v诊断的可行性。日本的 Hahmoo等人 si t将巯基标记的 HB探针自组装在金和钛电极表 V

面，电化学方法检测了血清船 v 的竞争性用 D AP R扩增产物，果表明用 D C结 NA传感器 HB,临、的床诊断，不受血清中其它 D NA成份的干扰，具有良好的特异性近来，少慧等人。通过阳极氧化吴 法， H V的 DN探针固定在镀金的石英晶

体表将 B A面，装成石英晶体传感器当用该石英晶体传感组器去检测卜3的 D玎v NA时，为检测对象的 D 作 A会与固定在石英晶体表面的 D NA探针杂交，引起

2 D NA传感器用于环境监测

人类的许多疾病都是以环境为载体进行传播的。当环境中存在病原微生物或基因诱变剂时，就

会对人类的健康产生极大的威胁。如果能及时发现环境中病原物的存在，可以尽早进行疾病预防，就防止引起人体感染。近年来，用 DN传感器来监利 A

测环境中的病原微生物和基因诱变剂，因其简便、 ’陕捷、准确而受到广泛重视。

石英晶体的质量改变，而使石英晶体的振荡频率从改变，产生检测信号。用该传感器检测了 6个 HB V血清，明其稳定性能满足临床 H V的诊断要求证 B Ba c i i h等人用化学免疫法制成 I n型艾滋病毒( v一1 D HI ) NA表面等离子体传感器，用该传并感器检测了血清 HI一1DN的不对称 P R产 v A C物，结果证实用该法诊断 HI v—l不仅操作简单，快

D A传感器监控环境中的病原微生物与用 N D NA传感器进行疾病诊断的原理相似，即通过固定监测对象的特异性 D NA探针，配合 P R技术，再 C进行杂交信号的检测。Marza人将沙眼衣原 raz等体 (ha dat c o t ) el my i r h mai的特异性探针， a s吸附在经

过屏蔽蚀刻处理后的石墨电极上，计时电位计检用测探针与合成互补探针的杂交信号，现其检铡质发

速准确，而且杂交后的传感器经酸变性后还可重复

量浓度最低限是 0 2 dL m。在监测真实水样时，如

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第 l 0期

李家洲菩： N D A传感器应用研究进展[ J Y i O a a, s o a a .￣i i i t, t l K— 3￣h kh t M& n f K w s K c i c e a i o a a i e hNk a n t n a u e n s o e i r e s r me t f DNA 3 fdz 6 s h i ia￣ o b n o io u a ie L n ee t - g L d

果与 P R配合， C其检测下限应该会更低。基因诱变剂主要是指那些直

接与基因发生作用的芳香族有机化合物和离子型自由基。它们都可能

im b i d2 . zq a c s l i oa n eJ P a t a m o i e 7 l z MH ur r t c bl o[] m l i l￣ ya m r￣ y eCh mity,1 8. 0: 2 8 l 6 e sr . 99 7 1 8

诱发癌症的发生。芳香族化合物对基因序列里的胞嘧啶具有修饰作用，胞嘧啶碱基的电化学活性降使低，可以用计时电位计检测到 1 9这 9 9年， raz Marza等人’道了利用固定有牛胸腺 D A片段的石墨报 N

[ Cad i l i\ e rErk i P o ac,ta (t r a 4 I i Nc i,q r o hn a l F cie l )at hl uo oo o o lz一

c D A s - r]Bm n r& Bo] * i。 9 7 l: 1 e N n[ . i es s e￣ J o o i . mn s 19,2 6 3 ec e e—

61 . 8

[] F[ a e, s s v 't。￣ L o s l . a .3e o 5 mi l k Mi l￣ a Mi a T m c k Pe c aa Fj v h gF r . er ce i b e s s r N yr i hm i no A h h z￣ rf D o dD A dm g l】 N a ae JBc i￣ns r o s& Biee t o c . 9 8, 3: 21 6 8 o Lc r ni 1 9 1 6 2 s

电极来检测废水中的道诺霉素、联苯和黄曲霉毒素，表明三者的最低检测质量浓度分别是 0 3 0 2 ,.,

[:黄智伟， 6黄琛 D A生物传感器进展[:传感器拄术 .012 N J 20 .0( ) 4—6 1:

1 mgL, 0/这说明 D NA传感器用于环境监测是可行的。最近，他们又报道了利用该方法来监测工业废

[] Wag o曲， u ao i s岛 i m . I eu c- ei 7 n s O s v R v。 Xmh e a Je t a g Sq e e p[ n s e ie c ohm cL ke s g f c t ce i enl L r e ab n o M m e u i D A J n l c br l s N[]A a 6 em yCh miaAc . 9 7, 7: i c曲 1 9 33 41—4 8

水中的 l2一二氨基蒽醌、 2一氨基蒽萘和吖啶橙等含氨多环芳香族化合物，将

结果与气相色谱的检并测结果进行比较，发现二者之间具有很高的相关性，

[] c ∞.b - x ., hi i un e a B Ao t d s 8 n Ze.∞ e C a Y . a .t i N i a g n q # e圈一sr arp to o h eed o N hbli i【 D: a i mehd frtedtc￣ fD A y r￣c n J d d c JBi e s r c n o s& Biee t o c,】 9 1 4￣ o e r nis 9 8. 3: 51— 4 8 L 5

这证明 D NA传感器用于环境监测是可靠的。。离 J子型自由基对 DN A链进行攻击，会 I DN起 A链的断裂。当离子型自由基攻击固定在传感器上的 D A链引起断裂时， N就会改变传感器的伏安特性曲线，可以通过伏安计方便地检测出来。J)这 o a等 t人利用该原理制成 D NA电化学汞传感器，进并

[。 K H si o, em o Y s ol iol c f d a 9 ah t K i k, o i s m r m o] h h Mi a ct d, m h e dp sbe o a l DNA T 0 o ee t n o e aisB v u A L 1 rfr d t i fh p t i i sDN s co t r JS n osa dAcu tr 1 9 4 4 9—43 e s r n t aosB, 9 8,6: 2 0

[0吴少慧 . 1]陈誉华。荆军 .己型肝炎病毒棱酸操针压电晶体传等 感器的韧步研究[]中国公共卫生， 0 .: 9 4 0 J 2 0 1 4— 3 0 6 21] Nel t Ba ci 1 i e a i h.Crt a R t l r, Mai, T ma t . o t n ii ui i* sn ga￣ r1 o￣et i R i“ al is a eh oo y 81 u fc l tx Bo￣ rtc n lg】 srae pa rm d s c fr o

行了氢氧根自由基的检测实验，现它的灵敏度足发用来对工业废水中的自由基进行监控。

r*I i e e t n o V - ￣ o i e e c s a l e h e - me d t i f H1 1 g m c s qu n e mpi d y t c o i f

3 D A传感器用于抗癌药物的开发 N抗癌药物大都是直接作用于癌变的 DN的。 A 将D NA固定在传感器上，

用该传感器来检测并

p[ rs ca a6 nJ l i l o me e hi r c o[]C ic y a ne na1 9 8: 9 9 7. 1 9—2 8 0

D ats c i l y i t t r o, g o iV o g

[2 Sr T m e i r s n e a oBac i 0 C u 1 a o hl. Mac Ma i c r rc n、 2 o - J a lk o d L￣ d i pig o l faDNA imeeti ls no ndp[m e￣ ecan n pe lct boe s ra oy r h i c一

D NA与抗癌药物相互作用产生的信号，为抗癌药物的动力学研究和药理学研究提供了一种新的手段。

n t dt t p】o t d 。 l rxs[]H0∞ o e c a。 ppo nE p】m p l J e i t y] i sBide to is 0 o ctnc .2 0O,5: 6 1 3 3—3 0. 7

r s&

Bae… rbc利用 D NA传感器研究了常用的铂类抗癌药物的作用机理，发现 D A传感器还可用并 N作血液中铂类抗癌药物的质量浓度检测工具。4展望

1 Zo - u . m g L—u, i o gy o corv tc 3 hu Xih n Htn i n L n—a Mi gai t J c q F r meiDN￣ l rbs do t u rzc￣tl c M a c:ca p r o A s o ae t q at<sa ml 2 N ml n e cn ai n s0 di n dm td a o iz t nmeh d n h p| aini{ D u ieim￣ h| ai i o t o sa dt ea pi t e o n

gnt u ns[]B ee c g a s id i J h—

& B e cr i, 0 1 1:5 o e ac i l t n s 2 0。 8 6

9 1

综上所述， NA传感器研究具有重要的科学意 D

[4 Gca m M a I h n l。 Bc ' c[ I i' a c∞ r C i ea M r3 I iⅨ o k￣r z a a l d bo n￣ s p bDNA e r c e e t is n o s f r n i D xnt[mo i rn ee t o h mia bo c s r o e v t n ' a L o n t ig o

义和应用价值。目前所进行的 D NA传感器应用研究大多还停留在实验阶段，要真正进入实际应用领

L Ar yi hmi ca。9 9 37 2 7—3 7 J￣ taC i s J d c aA t 19。8: 9 0

域，还需要在提高特异性、止假阳性等方面继续探防索。另外， D将 NA传感器与现代信息技术结合起来，实现 D NA传感器检测过程的自动化操作，是也推动 D NA传感器应用研究的一个重要因素。 参考文献：[] G m D h r BriL h, l s o ak“ a N w nnc ' 1 e e e . i t er K a w c, l e acr . c g uL x nI sr i o ls mo s【 rb - y ra s b d fms o ol- x￣ efms frboe r —y J e dore l fp y i l a i

[5 1] Co￣ aMa lI c l . r x n Ae o 4v n nⅦ hr a Ma o Ma i Fe r. c ci t

ce i l N lesro ev n nar∞ l J r. hmc Ab s o f i met aD o n rn r o l r r:A a: i-。 ChmcⅥl a ii aAc .0 14 7 15一l4 t 2 0,2:5自 6

[6 Mi￣ v 1J r 伯， e n . S n oa E i P ee, a u o F V r ia t kv, m ' e g A s - o k a LA k pr id em l DNA- dK。 mec r lcr d -a e bo e s r fr e mo id r uy ee to ebs d isn o o

te e CO D A s a d l v ga m￣ J . a a, 9 8 h t t n f N t n e i dei o r c a n g s T l t 19 .[ m4 1一 1 1 6 6

[7 Bae V D As o f e e m nt no atu o li 1] r e N b∞sro t r fa i m r a- rh d e i i f nt o pt n cm ons¨ Feteii c+ 20, 5 22 ㈣ o pud[ Ae h e A t,00 4:99— m ma a23 92

d ml s p t n o D A J . fs s￣& B e c o l,￣t y, r e s r N ] 1o no w o i 3 e r i o e r c i lt n s1 9 9: 7 94 6 7— 6 84

[] H m TM. aJ 2 ee T r wM C a c r a o D A p bs r/ i o J h r t z

t n f N r e i o . ae i o i o r b￣ 1 l sf c j o n l f ne cn hmi l oiy l o g d u a￣[:Ju m a a e c c t d n o oA n C aS e1 9 1】 91 9 7. 9 8 6—8 2 90

作者简介：李家 (9 6 )男， 17一，湖北竹溪^ .南理工大学牛物工翟系在华谣硬士研究生 .目前主要从事石萸 - D体 NA传感器的研究 _作 L

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