第七章 基因传感器
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第七章 基因传感器 Genosensor
一、基因传感器概述 1. 基因传感器及原理
以DNA为敏感元件，通过信号转换器将
DNA与DNA、DNA与RNA、DNA与其它有机
无机离子之间的作用的生物学信号转变为可检 测的光、电等物理信号。
2.基本结构 DNA探针 信号转换器
3. 基因传感器的制备步骤
● ● ● ●
电化学活性的小分子物质能与DNA分子
发生可逆性相互作用，其中一些物质能够专
一性地嵌入dsDNA 分子双螺旋结构的碱基对
之间，这一类物质称为杂交指示剂。
电化学活性杂交指示剂的电活性可使检
测电流增大，提高检测灵敏度。
●
寡聚核苷酸上修饰电化学活性的官能团 合成带有电化学活性基团的寡聚核苷酸，
与电极表面固定的ssDNA选择性地进行杂交反
肌酸酐水解酶 肌酸酐 H 2O 肌酸 脒基肌酸水解酶 肌酸 H 2O 肌氨酸 脲
肌氨酸 H 2O O2 甘氨酸+HCHO H 2O2
肌氨酸氧化酶
2. 请设计一种免疫传感器测定甲胎蛋白。
封闭
将目标DNA均匀分布在电极表面， 杂交形成ds-DNA
置于杂交指示剂溶液中，取出 洗去表面未被吸附的指示剂
选择DNA探针遵循的原则：
●
探针的长度 GC碱基的组成 探针分子内不能存在互补区
●
●
二、基因传感器的类型
● ● ●
电化学DNA传感器
光纤DNA传感器
压电型DNA传感器
1. 电化学DNA传感器
（2）检测原理
检测时，将ssDNA探针固定在电极表面，加入
具有电活性的物质作为标识物，浸入含有被测目标 DNA分子的溶液中，通过检测电极在待测溶液中 电化学信号的变化，确定靶基因的序列。 或者将待测基因片段固定在电极表面，然后与
溶液中已标定杂交指示剂的DNA探针进行杂交，
达到识别和测定靶基因的目的。
技术。
具有操作简便快速、成本低、体积小、 易于携带等特点，在分子生物学、疾病诊 断和治疗、新药开发、司法鉴定等领域具 有很大潜力。
压电晶体DNA传感器原理
小结：
25
习题：
1. 请分别设计测定肌酸酐的电流型酶传感器、光纤 酶传感器和电流型微生物传感器（节杆菌中含 有肌酸酐氧化酶）。如何对你设计的传感器的 性能进行评价？
电化学DNA传感器检测原理
（3）应用
电化学DNA传感器在基因分析、医学 分析、环境污染监测等方面都有应用。
●
基因分析
杂交时完全配对 A+B
1个碱基错配 A+C 2个碱基错配 A+D 碱基完全错配 A+E
靶序列与Ss-DNA探针完全配对或错配时的浓度-电流曲线
A: ss-DNA probe [HS(CH2)6-5-d(TAAGGG AAT GGT TAG GAA GGC)-3], B:fully matched oligonucleotide [5-d(GCC TTC CTA ACC ATT CCC TTA)-3], C:single-basemismatchedoligonucleotide [5-d(GCC TTC CTA ACT ATT CCCTTA)-3], D:double-base-mismatched oligonucleotide [5-d(GCC TTC CTA ACT C TT CCC TTA)-3], E: fully mismatched oligonucleotide [5-d(CTT GAT ACG GAT CAG AGT CAT)-3]
●
环境检测
Hg2+的检测
●
医学分析
细菌及病毒感染类疾病的诊断 基因诊断 DNA损伤研究
2. 光纤DNA传感器
以光纤作为转换元件，将杂交过程中产
生的特征光学信号（荧光、发光、颜色变化
等），通过光纤探头传递至光检测器，经光 电转换进而测定出目标基因。
3.压电晶体DNA传感器
压电晶体DNA传感器是新型的基因检测
DNA探针的固定 杂交过程 杂交的指示 信号的检测
设计DNA传感器涉及两个关键技术：
●
有效地将DNA探针固定在固体基质表面的技术 在传感器/液相界面对于靶基因的检测技术
●
4. DNA探针的固定化方法
●
吸附法
●
共价键结合法
自组装膜法
●
Au电极抛光、清洗
用被HS(CH2)6-标记的寡聚核苷酸 探针修饰电极表面
电化学DNA传感器由已知序列的单链DNA 分子与电化学电极组成。
●
电极表面固定的ssDNA探针
●活性标识物
制作电化学DNA传感器的关键是必须引入 电化学活性标识物。
常用的标识物有三种类型：
● ● ●
电化学活性的杂交指示剂 寡聚核苷酸上修饰电化学活性的官能团 标记酶
●
电化学活性的杂交指示剂
应，在电极表面形成带有电活性官能团的杂交
分子，通过测定其电信号可以识别和测定DNA
分子。
在寡聚核苷酸的5-端磷酸基上标记具有
电化学活性的羧酸二茂铁，制成二茂铁寡聚
核苷酸。合成的二茂铁寡聚核苷酸选择性地
与互补单链DNA形成复合物，检测其电流的变
化。该电流信号与复合物的量相关。
●
标记酶
利用酶的化学放大功能，在DNA分子上 标记酶作为识别物，当被酶标记的ssDNA与电 极表面的互补ssDNA发生杂交反应后，相当于 在电极表面修饰了一层酶，酶具有很强的催化 功能，通过测定反应生成物的变化量可以间接 测定DNA。
一、基因传感器概述 1. 基因传感器及原理
以DNA为敏感元件，通过信号转换器将
DNA与DNA、DNA与RNA、DNA与其它有机
无机离子之间的作用的生物学信号转变为可检 测的光、电等物理信号。
2.基本结构 DNA探针 信号转换器
3. 基因传感器的制备步骤
● ● ● ●
电化学活性的小分子物质能与DNA分子
发生可逆性相互作用，其中一些物质能够专
一性地嵌入dsDNA 分子双螺旋结构的碱基对
之间，这一类物质称为杂交指示剂。
电化学活性杂交指示剂的电活性可使检
测电流增大，提高检测灵敏度。
●
寡聚核苷酸上修饰电化学活性的官能团 合成带有电化学活性基团的寡聚核苷酸，
与电极表面固定的ssDNA选择性地进行杂交反
肌酸酐水解酶 肌酸酐 H 2O 肌酸 脒基肌酸水解酶 肌酸 H 2O 肌氨酸 脲
肌氨酸 H 2O O2 甘氨酸+HCHO H 2O2
肌氨酸氧化酶
2. 请设计一种免疫传感器测定甲胎蛋白。
封闭
将目标DNA均匀分布在电极表面， 杂交形成ds-DNA
置于杂交指示剂溶液中，取出 洗去表面未被吸附的指示剂
选择DNA探针遵循的原则：
●
探针的长度 GC碱基的组成 探针分子内不能存在互补区
●
●
二、基因传感器的类型
● ● ●
电化学DNA传感器
光纤DNA传感器
压电型DNA传感器
1. 电化学DNA传感器
（2）检测原理
检测时，将ssDNA探针固定在电极表面，加入
具有电活性的物质作为标识物，浸入含有被测目标 DNA分子的溶液中，通过检测电极在待测溶液中 电化学信号的变化，确定靶基因的序列。 或者将待测基因片段固定在电极表面，然后与
溶液中已标定杂交指示剂的DNA探针进行杂交，
达到识别和测定靶基因的目的。
技术。
具有操作简便快速、成本低、体积小、 易于携带等特点，在分子生物学、疾病诊 断和治疗、新药开发、司法鉴定等领域具 有很大潜力。
压电晶体DNA传感器原理
小结：
25
习题：
1. 请分别设计测定肌酸酐的电流型酶传感器、光纤 酶传感器和电流型微生物传感器（节杆菌中含 有肌酸酐氧化酶）。如何对你设计的传感器的 性能进行评价？
电化学DNA传感器检测原理
（3）应用
电化学DNA传感器在基因分析、医学 分析、环境污染监测等方面都有应用。
●
基因分析
杂交时完全配对 A+B
1个碱基错配 A+C 2个碱基错配 A+D 碱基完全错配 A+E
靶序列与Ss-DNA探针完全配对或错配时的浓度-电流曲线
A: ss-DNA probe [HS(CH2)6-5-d(TAAGGG AAT GGT TAG GAA GGC)-3], B:fully matched oligonucleotide [5-d(GCC TTC CTA ACC ATT CCC TTA)-3], C:single-basemismatchedoligonucleotide [5-d(GCC TTC CTA ACT ATT CCCTTA)-3], D:double-base-mismatched oligonucleotide [5-d(GCC TTC CTA ACT C TT CCC TTA)-3], E: fully mismatched oligonucleotide [5-d(CTT GAT ACG GAT CAG AGT CAT)-3]
●
环境检测
Hg2+的检测
●
医学分析
细菌及病毒感染类疾病的诊断 基因诊断 DNA损伤研究
2. 光纤DNA传感器
以光纤作为转换元件，将杂交过程中产
生的特征光学信号（荧光、发光、颜色变化
等），通过光纤探头传递至光检测器，经光 电转换进而测定出目标基因。
3.压电晶体DNA传感器
压电晶体DNA传感器是新型的基因检测
DNA探针的固定 杂交过程 杂交的指示 信号的检测
设计DNA传感器涉及两个关键技术：
●
有效地将DNA探针固定在固体基质表面的技术 在传感器/液相界面对于靶基因的检测技术
●
4. DNA探针的固定化方法
●
吸附法
●
共价键结合法
自组装膜法
●
Au电极抛光、清洗
用被HS(CH2)6-标记的寡聚核苷酸 探针修饰电极表面
电化学DNA传感器由已知序列的单链DNA 分子与电化学电极组成。
●
电极表面固定的ssDNA探针
●活性标识物
制作电化学DNA传感器的关键是必须引入 电化学活性标识物。
常用的标识物有三种类型：
● ● ●
电化学活性的杂交指示剂 寡聚核苷酸上修饰电化学活性的官能团 标记酶
●
电化学活性的杂交指示剂
应，在电极表面形成带有电活性官能团的杂交
分子，通过测定其电信号可以识别和测定DNA
分子。
在寡聚核苷酸的5-端磷酸基上标记具有
电化学活性的羧酸二茂铁，制成二茂铁寡聚
核苷酸。合成的二茂铁寡聚核苷酸选择性地
与互补单链DNA形成复合物，检测其电流的变
化。该电流信号与复合物的量相关。
●
标记酶
利用酶的化学放大功能，在DNA分子上 标记酶作为识别物，当被酶标记的ssDNA与电 极表面的互补ssDNA发生杂交反应后，相当于 在电极表面修饰了一层酶，酶具有很强的催化 功能，通过测定反应生成物的变化量可以间接 测定DNA。