DNA电化学生物传感器的研究进展

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( D e a r t m e n t o M e d i c a l R e s e a r c h, G e n e r a l H o s i t a l o G u a n z h o u M i l i t a r C o mm a n d o P L A, G u a n z h o u5 1 0 0 1 0, C h i n a) p f p f g y f g
引言
生物传感器是指传感器的分子识别元件即敏感 元件为具有生 物 活 性 的 材 料 , 该部分与相应的换能 器的结合 , 能实 现 对 某 些 特 定 化 学 物 质 作 用 变 化 的 比如光电效应 、 热效 检测并产生相应的可检测信息 , 应、 场效应 、 声效应和质量变化等 。 生物传感器具有 选择性强 、 分析 速 度 快 、 操 作 简 便、 能够在线监测分 析甚至活体分 析 、 能 检 测 极 微 量 污 染 物 的 优 点。 电 化学生物传感器将电化学强大的分析功能与生物识 别过程的特异 性 相 结 合 , 通过生物反应产生一个与 被分析物质浓度相关的电信号 。 本 文 对 D NA 固 定 以及杂交信号 的 电 化 学 检 测 方 面 进 行 综 述 , 着重介 绍纳米材 料 和 石 墨 烯 材 料 在 电 化 学 传 感 器 中 的 应 并对 D 用, NA 电化学传感器的发展作了展望 。
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3 电活性物质
由于 D 因 NA 杂 交 产 生 的 电 流 信 号 比 较 微 弱 , 而需要加入一些具有电活性的物质来提高仪器的敏 感性 。 指 示 剂 是 一 类 可 以 与 s s D NA 或 者 d s D NA 以不同方式相 互 作 用 的 电 活 性 物 质 , 其电活性可以 使检测物质的 电 信 号 增 大 , 提 高 检 测 灵 敏 度。 常 用 常 见 的 有 道 诺 霉 素、 二 茂 铁、 生物 的指示剂有很多 , 素等 。 但是不同 指 示 剂 会 有 不 同 的 优 缺 点 , 下面简 单探讨几种常见指示剂的性质及其相关原理 。 3. 1 二茂铁 线性二茂铁基萘二酰亚胺 ( 是一种常用 的 F N D) 它与 D 电化学指 示 剂 , NA 双 螺 旋 的 键 合 比 通 常 使 用的插入 剂 更 紧 密 , 但 是 其 亲 和 性 几 乎 不 受 影 响。 二茂铁和二茂铁基络合物可以直接检测分子内 部的 反应 , 而且可以作为电子转移的媒介 , 二茂铁上发生 的氧化还 原 反 应 在 电 化 学 传 感 器 中 的 应 用 最 为 广
D N A 电化学生物传感器的研究进展 *
赵燕珍 张海燕 吴小丽 刘仲明 综述 王 捷 △ 审校
( ) 广州军区广州总医院 医学实验科 , 广州 5 1 0 0 1 0
摘 要 :近年来 , 随着电化学生物传感器 的 发 展 , 生 物 传 感 器 在 基 因 诊 断、 环 境 监 测、 药物研究等领域已经广泛应 关于提高生物传感器的灵敏度和选择性 、 优化检测方法的研究也越来越受到大家的关注 。 本文介绍了 电 化 学 生 用, 着重综述生物敏感膜的制备 、 纳米 材 料 和 石 墨 烯 在 提 高 检 测 灵 敏 度 方 面 的 应 用 , 以及生物 物传感器的原理及组成 , 传感器在临床诊断和指导临床治疗方面的应用前景 。 关键词 : D NA 电化学生物传感器 ;纳米材料 ;石墨烯 ;灵敏度 ( ) 中图分类号 R 3 3 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 5 5 1 5 2 0 1 3 0 1 0 2 0 8 0 5 - - -
[] 7] 。H 泛[ ü s k e n等 8 对 不 同 二 茂 铁 衍 生 物 的 标 记 信
基于多壁碳纳米管 、 酞菁钴纳米复合材料 ( MWNT s - ) 和G C o P c 4P AMAM 制 备 了 一 种 新 型 D NA 生 物 传 感 器。 首 先 通 过 G 的 氨 基 基团与 4P AMAM 再以 P MWNT s的羧基共价结合 , AMAM 末端的氨 基基团与 D 端共价结合从而实现 D NA 的 5 ′ NA 在 电极上的 修 饰 , 获得定向空间取向的 D NA 修 饰 电 极, 克服了传统的共价结合法固定效率低的问题 , 同 时又可以获得 高 度 有 序 、 高度可接近性的生物敏感 膜 。 但是该方法 步 骤 比 较 繁 琐 , 涉及表面活化剂和 因此也会带入一些新的影响 。 交联剂的副作用 , 2. 3 自组装法 自组装法根据 分 子 的 自 组 装 作 用 , 在电极表面 形成高度有序 的 s s D NA 单 分 子 层 。 主 要 有 两 种 方 法: 利用 NA 末 端 修 饰 巯 基 , ① 直接自组装法 。 在 D 巯基末端与 金 电 极 形 成 A u S键达到将 D NA 固 定 - [ 3] 。 在电极上的目的 王锐等 在金电极表面自组装半 胱胺 , 并用戊二醛进行醛基化 , 同时固定乙肝表面抗 体和硫 堇 , 以P 根据硫堇和辣根过氧 B S 液 为 底 液, 化物酶还原峰电流的下降值对乙肝表面抗原进行定 性 和 定 量 检 测。H e a z i等 j
5, 6] 。 测限 [
用于模拟体 内 羟 自 由 基 对 D 并实现了 NA 的 损 伤 , 对D NA 损 伤 的 快 速 灵 敏 检 测 。 吸 附 法 相 对 简 单 , 固定化速度快 , 不需要试剂或特殊的核苷酸修饰 , 也 无须对核苷酸进行修饰衍生化 。 尽管吸附法简 单但 是对于单链 D 而 NA( s i n l e s t r a n d e d D NA, s s D NA) - g 言, 其在电极表面的结合力度和方向性均较差 , 因而 制备的敏感膜 有 序 性 比 较 差 , 固定部位及空间取向 从而导致修饰 D 不一致 , NA 与 靶 基 因 的 可 接 近 性 较低 , 杂交效率较低 。 2. 2 共价结合法 共价结合法是一种 较 为 理 想 的 D NA 探 针 固 定 它主要 是 通 过 D 方法 , NA 探 针 的 末 端 修 饰 来 实 现 s s D NA 在电 极 表 面 的 固 定 。 因 为 末 端 连 接 可 以 使 有利于 s s D NA 骨架在空间构型上 有 很 大 的 自 由 度 , 碱基暴露和双螺旋结构的形成 。 共价结合具有 提高 特异性 、 减 少 非 特 异 性 吸 附 干 扰 等 优 点 。Z h u等
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而且该方法较为简单 , 易于后续步骤的进行 。 但 点, 是由于亲水性 核 酸 基 团 的 存 在 , 具有一定的非特异 性吸附 。 ② 间接自组装法 。 在电极上事先修饰一层 硫化物或者二硫化物 , 然后引入所需的羟基 、 羧基等 再通过偶联活化剂将 D 活性基团 , NA 共 价 结 合 到 电极表面 , 从而获得高度有序 、 易于杂交的敏感膜 。 此外 , 还可以通过层层自组装的方法 , 在电极表 面修饰纳米材料或者石墨烯等材料以提高电极表面 的电子传递 , 获 得 更 高 的 检 测 灵 敏 度。 层 层 自 组 装 方法可以获得更大量的组装分子从而使得反应表面 积增大 , 在一定 程 度 上 可 以 增 加 检 测 的 灵 敏 度 和 检
1 D N A 电化学传感器原理及结构
D NA 生物传 感 器 基 本 的 原 理 是 D NA 碱 基 的 互补配对 , 通过电极表面固定的已知捕获 D NA 序 列与检测样本中 D NA 的 互 补 配 对 作 用 形 成 可 传 递 从电极上电信号的变化来对 样本 电子的双链 D NA, 中的 D 当加入样本中的 D NA 进行定性检测 , NA 序 列与捕获探针 上 的 序 列 存 在 非 配 对 现 象 , 则电子传 递链断开 , 产生的电信号就很微弱 , 因此通过电信号 变化就可以 检 测 出 样 本 中 是 否 存 在 突 变 。D NA 电 化学传感器一 般 是 由 敏 感 元 件 即 生 物 敏 感 膜 、 转换 元件即转换器 、 信 号 输 出 三 个 部 分 组 成。 其 中 敏 感 元件和转换元件是生物传感器最主要的两个部分 。
第3 0卷 第1期 生物医学工程学杂志 V o l . 3 0 N o . 1 2 0 1 3 年 2 月 J o u r n a l o f B i o m e d i c a l E n i n e e r i n F e b r u a r 0 1 3 2 g g y
2 Leabharlann Baidu物敏感膜的制备
生物敏感膜决定 D NA 传 感 器 检 测 的 灵 敏 度 和 特异性 。 生物敏 感 膜 的 制 备 主 要 有 多 聚 物 包 埋 法 、 共价结合法 、 亲 和 法、 吸 附 法、 自 组 装 法 等。 根 据 选 择的指示剂不同而选择不同的标记方法 。
;广 s k t 1 0 0 3) * 传感技术联合国家重点 实 验 室 基 金 资 助 项 目 ( ) 东省自然科学基金博士启动项目资助 ( 1 0 4 5 1 0 0 1 0 0 2 0 0 4 9 3 5 : E-m a i l i e w@h o t . c o m △ 通讯作者 。 j
第1期
赵燕珍等 : D NA 电化学生物传感器的研究进展
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2. 1 吸附法 带负电的 D NA 序列 通 过 静 电 引 力 作 用 吸 附 在 带正电荷电介质的电极表面 , 从而达到修饰的作用 。 Z h a n g等 将双链 D NA 和聚铵盐- 6 通过层层组 装 的方法固定 在 电 极 表 面 制 备 成 D NA 生 物 传 感 器 ,
P r o r e s s o f t h e S t u d o n D N A E l e c t r o c h e m i c a l B i o s e n s o r g y
Z h a o Y a n z h e n h a n H a i a n W u X i a o l i i u Z h o n m i n a n J i e Z L W g y g g g
:W , , A b s t r a c t i t h i t s r a i d d e v e l o m e n t t h e e l e c t r o c h e m i c a l b i o s e n s o r h a s r e c e n t l b e e n w i d e l u s e d i n d i a n o s i s e n e p p y y g g , e n v i r o n m e n t a l m o n i t o r i n a n d m e d i c a l s c i e n c e s .M o r e a n d m o r e a t t e n t i o n h a s b e e n f o c u s e d o n h o w t o i m r o v e t h e g p s e n s i t i v i t a n d s e l e c t i v i t o f b i o s e n s o r . I n t h i s r e v i e w, t h e r i n c i l e a n d c o m o s i t i o n o f D NA e l e c t r o c h e m i c a l b i o s e n - y y p p p , , s o r i s s i m l i n t r o d u c e d t h e r e a r a t i o n o f b i o l o i c a l m e m b r a n e t h e a l i c a t i o n o f i n d i c a t o r a r e s e c i a l l e m h a - p y p p g p p p y p , r o s e c t i v e n . s i z e d a n d t h e f u t u r e f o r t h e d e v e l o m e n t i n t h i s f i e l d i s p p g p : ;N ; ; K e w o r d s D NA e l e c t r o c h e m i c a l b i o s e n s o r a n o m a t e r i a l G r a h e m e S e n s i t i v i t - - p y y
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