DNA电化学生物传感器总结
矿产
矿产资源开发利用方案编写内容要求及审查大纲
矿产资源开发利用方案编写内容要求及《矿产资源开发利用方案》审查大纲一、概述
㈠矿区位置、隶属关系和企业性质。
如为改扩建矿山, 应说明矿山现状、
特点及存在的主要问题。
㈡编制依据
(1简述项目前期工作进展情况及与有关方面对项目的意向性协议情况。
(2 列出开发利用方案编制所依据的主要基础性资料的名称。
如经储量管理部门认定的矿区地质勘探报告、选矿试验报告、加工利用试验报告、工程地质初评资料、矿区水文资料和供水资料等。
对改、扩建矿山应有生产实际资料, 如矿山总平面现状图、矿床开拓系统图、采场现状图和主要采选设备清单等。
二、矿产品需求现状和预测
㈠该矿产在国内需求情况和市场供应情况
1、矿产品现状及加工利用趋向。
2、国内近、远期的需求量及主要销向预测。
㈡产品价格分析
1、国内矿产品价格现状。
2、矿产品价格稳定性及变化趋势。
三、矿产资源概况
㈠矿区总体概况
1、矿区总体规划情况。
2、矿区矿产资源概况。
3、该设计与矿区总体开发的关系。
㈡该设计项目的资源概况
1、矿床地质及构造特征。
2、矿床开采技术条件及水文地质条件。
电化学生物传感器
基于单壁碳纳米管--十二醛复合材料的DNA 电化学传感器
基于单壁碳纳米管--十二醛复合材料的DNA 电化学传感器
实验部分
三电极系统： 玻碳电极或各修饰电极为工作电 极， Ag / AgCl 电极为参比电极， 铂丝电极为辅助电极。
基于单壁碳纳米管--十二醛复合材料的DNA 电化学传感器
十二醛(DA)
月桂醛Lauraldehyde CH3(CH2)10CHO学名十二醛。 无色液体。冷时凝成白色蜡烛固体。有不愉快的气 味，在高度稀释时有像紫罗兰的香气。密度 0.828~0.836. 熔 点 44 ℃ 。 沸 点 227~235 ℃ 。 折 射 率 1.433~1.440。溶于乙醇，不溶于水。暴露空气中聚 合成二聚体，有微量无机酸存在时更快。氧化时生 成月桂酸。用于配置多种花香型香精。由月桂醇经 氧化，或十二（烷）酸和甲酸的钡盐经蒸馏，或十 二（烷）酸和甲酸的蒸汽通过催化剂而制的。 DA 分子的长脂肪链通过疏水性作用缠绕在 SWNTs 外围，减弱了碳管外壁之间的 π－π 堆积和范德华 力，从而起到稳定剂的作用。
DNA 电化 学传 感器 特点
纳 米 材 料 特 点
成本低 设计简单 设备小巧
能耗低 灵敏度高 比表面积大 表面反应活性高 活性位点丰富 催化效率高 吸附能力强
易于微 型化
灵敏度 更高
特异性 更强
基于单壁碳纳米管--十二醛复合材料的DNA 电化学传感器
单壁碳纳米管( SWNTs)
单壁碳纳米管( SWNTs) 作为一种新型的碳纳 米材料，其高的长径比、大的比表面积有利 于负载大量的探针分子，且其超高的导电性 能，能在电化学传感检测中起到催化作用， 从而提高分析灵敏度。但由于 SWNTs 本身 是非水溶性碳材料，且缺乏功能基团，其应 用受到了限制。以有机小分子通过共价或非 共价模式对 SWNTs 进行修饰，是提高其溶 解性和功能性的重要途径。
生物传感器的研究进展综述
生物传感器的研究进展综述一、本文概述生物传感器作为一种集成了生物识别元件和信号转换器的设备，其在生物、医学、环境、食品安全等领域的应用日益广泛。
本文旨在综述生物传感器的研究进展，包括其基本原理、分类、应用领域以及存在的挑战和未来的发展趋势。
我们将重点关注近年来在生物传感器领域的创新技术和研究成果，以期为读者提供一个全面而深入的理解。
我们将简要介绍生物传感器的基本原理，包括其工作机制和主要构成部分。
接着，我们将根据生物识别元件的不同，对生物传感器进行分类，并详细讨论各类生物传感器的特点和应用领域。
在此基础上，我们将重点分析近年来在生物传感器研究方面的主要进展，包括新材料、新技术和新方法的开发和应用。
我们还将探讨生物传感器在实际应用中所面临的挑战，如灵敏度、特异性、稳定性和寿命等问题，并就此提出可能的解决方案。
我们将展望生物传感器未来的发展趋势，预测其在未来可能的应用领域和发展方向。
通过本文的综述，我们希望能够为研究者提供一个关于生物传感器研究进展的全面视角，为其未来的研究和开发提供有益的参考。
二、生物传感器的基本原理与技术生物传感器是一种利用生物分子识别元件与物理或化学换能器相结合，对生物物质进行高选择性、高灵敏度检测的新型分析装置。
其基本原理是将生物分子识别过程（如酶促反应、抗原抗体反应、核酸杂交等）与信号转换器（如电化学电极、光学器件、压电晶体等）相结合，通过生物识别元件与待测物之间的特异性相互作用，将生物化学反应产生的信息转化为可检测的电信号、光信号或其他形式的信号，从而实现对待测物的定性或定量分析。
生物传感器的核心技术包括生物识别元件的制备与固定化技术、信号转换与处理技术，以及传感器的微型化与集成化技术。
生物识别元件的制备是实现生物传感器特异性与灵敏度的关键，常见的生物识别元件包括酶、抗体、核酸适配体、细胞和组织等。
信号转换与处理技术是生物传感器将生物识别信号转化为可测量电信号的核心，常见的信号转换方式有电化学转换、光学转换、热学转换等。
电化学DNA生物传感器检测小分子
• 聚合物膜法
在小分子检测中的应用
聚吡咯一聚氯乙烯烯磺酸盐/氧化锢膜修饰电极为基础的传感器， 用循环伏安法来检测芳香族化合物2-氨基酸葱和3-氯酚
• 1，细胞色素c是一种以铁卟啉为辅基的呼吸酶，是细胞 呼吸 • 激活剂，属于络合蛋白质.将细胞色素c固定到电极表面， 构建了细胞色素c电化学生物传感器，实现了砷化合物 的快速检测. • 2，金属硫蛋白是一种广泛存在于生物界的低分子量" 高金属含量且能被金属或其它因素诱导生成的金属结合 蛋白，具有广泛的生理学和生物学功能，直接将金属硫 蛋白固定到悬汞滴电极表面，实现了银离子的检测. • 3，细胞内富含半胱氨酸的蛋白质-金属硫因固定到悬汞 滴电极表面得到金属硫因生物传感器，并采用吸附转移 剥离微分脉冲伏安法实现了镉和锌的高灵敏检测.
药物 检测 等等
食品检测
• 电化学DNA传感器在食品检测中的应用已 有报道，如对转基因食品的检测，对食品 中大肠杆菌的检测，食品中小分子物质一 一葡萄糖的检测。
环境
丝刷电极固定DNA，采用方波伏安法测定鸟嘌吟残基 氧化信号的改变来检测有毒芳香胺等水中污染物。
用单双链DNA修饰电极，研究了芳香族化合物、道诺霉素、黄曲霉毒素等 与鸟嘌吟残基等的相互作用。
• •
电化学DNA传感器实现了对枸 橼酸西地那非片处理的玻碳电极表面，用循环伏安法来 测定异丙嗪
电化学核酸传感器的应用
• 1，汞离子与DNA核酸链上的胸腺嘧啶有很强的亲和 作.用富含胸腺嘧啶的核酸构建了电化学DNA传感器， 实现环境中汞离子的低浓度检测，最低检测限达到 了0.5nmol/l线性范围1.0-2.0nmol/l. • 2，醋酸铅处理淋巴细胞DNA后形成了 DNA-DNA的 交联，DNA交联以后影响了电化学信号的传导，从 而能够通过电化学DNA传感器检测环境中铅离子的 浓度。 • 3，镉能够引起DNA单链断裂，DNA链的断裂导致电 化学信号传导受阻，电信号下降，电化学DNA传感 器信号的变化与镉的浓度成比例。
电化学传感器和生物传感器技术比较分析
电化学传感器和生物传感器技术比较分析近年来，随着科技的发展和应用的不断推广，电化学传感器和生物传感器已经成为分析化学领域不可或缺的工具，这两种传感器技术都具有很高的灵敏度和特异性，适用于许多领域的分析检测。
本文将从工作原理、应用范围、制备方法、优缺点这四个方面对电化学传感器和生物传感器进行比较分析。
一、工作原理电化学传感器是通过电极与待测物质发生电化学反应，利用电化学信号转化为检测信号。
主要包括电子传递和离子传递两种方式，电子传递以电极为中心，离子传递则为电解质溶液为中心。
电子传递的电化学传感器常用荧光素、甲基氧化酶等作为感受层材料，实现短时间内的电化学反应。
离子传递主要采用离子敏感膜，具有高度的选择性和灵敏度。
生物传感器，则是通过生物分子与待测物质的相互作用触发信号的变化，以检测待测物质的含量，其工作原理主要包括：化学传感、光学传感、电学传感和磁学传感。
在化学传感中，生物分子可以通过受体,酶,细胞膜受体等与待测物质进行特异性化学反应，从而转化为信号。
而在光学传感中，则利用分子材料在不同体积、形状、组成的情况下，形成不同的光学特性，通过分析这些光学特性变化来检测待测物质的含量。
二、应用范围电化学传感器可用于环境监测、食品安全、生物诊断等多个领域。
电化学传感器的应用领域非常广泛，主要是因为其制备简便,成本低,且具备高化学稳定性,灵敏度和特异性等优点。
在环境领域，可用于亚硝酸盐、硫酸盐、铅、汞等有害物质的检测。
在食品安全方面，可利用电化学传感器检测食品中的残留农药、兽药和重金属等有害物质。
在生物诊断方面，电化学传感器可用于患者血糖、血脂等常规检测。
生物传感器主要应用于医学、食品、环境等领域，在医学上主要用来检测人类组织或血液中的某些代谢产物或药物残留物。
在环保领域，可以检测水体、空气中的有害物质。
在食品领域，可用于检测食品中的添加剂、防腐剂等。
生物传感器其所适用的分子种类非常广，涉及生命科学、医学、环境科学、化学等诸多领域。
电化学探测技术在生物传感器中的应用
电化学探测技术在生物传感器中的应用随着现代生物医学技术的不断发展，人们对于各种疾病的诊断和治疗也更加关注，其中生物传感器成为了关键技术之一。
而电化学探测技术作为一种常见的传感器检测技术之一，在生物传感器中得到了广泛应用。
本文将从电化学探测技术的基本原理、在生物传感器中的应用以及存在的问题与发展方向等角度进行探讨。
一、电化学探测技术基本原理电化学是研究电子和离子在电极表面的物理化学现象，通过对电子和离子的相互作用进行观察与分析，从而获得样品的相关信息。
电化学流程一般包括电化学反应、电子传递、质量传递等过程，最终通过电信号输出结果。
其中，电极是电化学反应的核心部分，电极表面的反应与电化学信号密切相关，因此电极表面的性质也是电化学探测技术的关键因素之一。
电化学探测技术的应用非常广泛，可以用于环境监测、化学和生物传感器等领域。
生物传感器是一种通过生物分子间的相互作用来检测生物体内信息的设备。
这里的生物分子可以是蛋白质、核酸、酶等。
生物传感器的应用具有结构简单、灵敏度高、选择性强等特点，可以用于测量各种生理参数、病毒和细菌等微生物的检测以及抗生物体、抗癌药物、抗诊断器等生物制品的检测。
二、电化学探测技术在生物传感器中的应用电化学传感器在生物传感器中得到了广泛的应用，包括光电传感器、化学传感器、电化学传感器、基因传感器等。
其中电化学传感器是最常用的一种，其主要用来检测生物体内各项生理参数，如pH值、离子浓度、氧合度、葡萄糖浓度及其他代谢物等。
首先，以葡萄糖检测为例，葡萄糖是人和动物体内主要的能量来源之一，其参与人体的正常代谢和生命活动。
而对于糖尿病等疾病患者来说，控制血糖水平非常重要。
因此，对于葡萄糖浓度的检测尤为重要。
采用电化学传感器可以通过检测生物体内葡萄糖的浓度，进而判断患者的糖尿病状况。
其次，以DNA检测为例，DNA是生物体内的重要组成部分，因此对于细菌、病毒等微生物的检测也必须通过DNA检测，如丙肝病毒的检测。
DNA生物传感器
姜智统
主要内容Hale Waihona Puke 背景介绍基本原理和结构
关键部分
背景介绍
通过酶或氧化还原蛋白的电子转移可以发展新的 传感器
酶的氧化还原位点经常深埋于酶的内部，直接电 子传递一般不可能。 1990年，Heller将具有氧化还原活性的聚合物引 入，聚合物直接和电极表面结合，并通过静电作 用结合酶，实现酶的直接电子转移。 目前，几种电化学生物传感器已经实现商业化。
基体电极的选择
DNA探针的固定方法
吸附法
共价键合法
自组装膜法
聚合法
组合法
杂交的指示
杂交指示剂是一类有电活性的物质 1.金属配合物类杂交指示剂 2,2’-联吡啶、1,10-邻菲咯啉等等
Co的金属配合物为典型代表
2.染料类杂交指示剂 3.抗癌药物类杂交指示剂
杂交的指示
在单链DNA上修饰电化学活性官能团
背景介绍
电化学检测的潜在优势 灵敏，微型化，检测时间短
DNA电化学生物传感器的潜在优势 选择性好，种类多，费用低
基本原理和结构
基本原理 基体电极
电极 活化 单链DNA固定
基体电极
杂交 单 链 DNA 片 段
基体电极
指示剂 杂交指示 电信号
电化学检测
关键部分
DNA探针的固定 杂交的电化学指示
DNA探针的固定
利用酶的放大功能 三明治法，无指示剂法等
谢谢
生物电化学传感器原理及其医学应用
生物电化学传感器原理及其医学应用生物电化学传感器是一种基于生物体内生化反应产生的电信号来检测和分析生物分子的传感器。
其原理是通过将生物分子与电活性物质进行反应，产生电流或电压信号，从而实现对生物分子的检测和定量分析。
传统的生物分析方法如色谱法、质谱法等存在着设备复杂、耗时长、操作复杂等问题，而生物电化学传感器则具有灵敏度高、选择性好、快速响应等优点，广泛应用于医学领域。
生物电化学传感器的原理是基于生物分子与电活性物质之间的高效反应。
通常，生物分子如蛋白质、DNA、酶等会与电活性物质如酶促反应、免疫反应等发生特定的反应。
这些反应会导致电流或电压的变化，通过测量这些电信号的变化，可以推断出样品中生物分子的含量。
在医学应用方面，生物电化学传感器发挥着重要的作用。
一方面，它可以用于生物分子的检测，如血糖传感器、血脂传感器等。
这些传感器可以实时监测患者的生理状态，对于糖尿病、高血压等疾病的早期诊断和治疗提供了便利和准确性。
另一方面，生物电化学传感器还可以用于药物检测和药物代谢研究。
传感器可以通过测量患者体内的药物浓度来调整药物的剂量，提高治疗效果和减少药物的副作用。
在临床实践中，一些生物电化学传感器已经被广泛应用。
例如，血糖传感器可以实时监测糖尿病患者的血糖水平，帮助他们准确调整胰岛素剂量，避免血糖波动带来的健康风险。
此外，血氧传感器可以测量血液中的氧气饱和度，帮助医生监测病人的呼吸功能和氧气供应情况。
这些传感器具有快速、准确、非侵入性等优点，为医生提供了重要的辅助诊断工具。
除了在临床诊断中的应用，生物电化学传感器还可以用于药物研发和毒性评价。
传感器可以监测药物与生物体内酶的反应过程，从而评估药物的活性和副作用。
通过研究药物的代谢途径和产物，可以预测药物的药效和毒性，为新药研发和临床应用提供重要的参考依据。
总的来说，生物电化学传感器在医学领域具有广泛的应用前景。
它不仅可以改善临床诊断的准确性和效率，还可以提高药物治疗的个体化和精确性。
电化学生物传感器的原理与应用技巧
电化学生物传感器的原理与应用技巧随着科技的不断进步和人们对健康的关注度增加，生物传感器作为一种高灵敏度、高选择性的检测技术，得到了广泛的应用。
其中，电化学生物传感器以其简单、快速、灵敏的特点，成为研究和应用领域中备受关注的技术。
本文将介绍电化学生物传感器的原理和应用技巧，希望能为相关领域的研究者和工程师提供一些参考。
一、电化学生物传感器的原理电化学生物传感器是利用生物分子与电极表面之间的相互作用，通过测量电化学信号来检测和分析生物分子的一种技术。
其原理主要包括两个方面：生物分子识别和电化学信号转换。
生物分子识别是电化学生物传感器的核心。
通过特定的生物分子与待测分子的识别和结合，实现对待测分子的检测。
常用的生物分子包括酶、抗体、核酸等。
这些生物分子通过与待测分子的相互作用，产生特定的信号变化，从而实现对待测分子的检测和分析。
电化学信号转换是将生物分子的识别过程转化为电化学信号的变化。
常用的电化学信号转换方式包括电流、电压和电阻等。
通过将生物分子与电极表面进行相互作用，改变电极表面的电化学性质，从而引起电流、电压或电阻的变化。
这种变化可以通过电化学方法进行测量和分析，从而实现对待测分子的检测。
二、电化学生物传感器的应用技巧1. 选择合适的生物分子：在设计电化学生物传感器时，选择合适的生物分子非常重要。
生物分子应具有高度的选择性和灵敏度，能够与待测分子发生特异性的相互作用。
同时，生物分子的稳定性和可重复性也需要考虑，以确保传感器的稳定性和可靠性。
2. 优化电极表面性质：电极表面的性质对电化学生物传感器的性能有着重要影响。
通过优化电极表面的结构和化学性质，可以增强生物分子与电极表面的相互作用，提高传感器的灵敏度和选择性。
常用的方法包括修饰电极表面的化学修饰和纳米材料修饰等。
3. 选择合适的检测方法：电化学生物传感器常用的检测方法包括循环伏安法、恒定电位法和阻抗谱法等。
选择合适的检测方法可以提高传感器的灵敏度和检测范围。
新型dna电化学生物传感器的研制及纳米材料在其中的应用研究
新型dna电化学生物传感器的研制及纳米材料在其中的应
用研究
新型DNA电化学生物传感器是一种基于电化学技术的高灵敏、高选择性的检测手段，可以实时、准确地检测DNA分子的含量、序列及突变情况等信息。
纳米材料在其中的应用研究起到了重要的作用。
传统的DNA检测方法需要进行PCR扩增和凝胶电泳等繁琐的操作。
而新型的DNA电化学生物传感器则可以通过简单的电化学实验进行检测，具有操作简便、检测迅速和准确性高等优点。
由于DNA 传感器对检测样品的灵敏度要求很高，纳米材料作为该领域的热门研究课题之一，因其表面积大、光电化学活性强、特异性强以及化学稳定性好等特点，被广泛应用于DNA电化学生物传感器的研究中。
例如，金纳米粒子、碳纳米管等纳米材料已广泛应用于DNA传感器制备中。
它们能够通过与DNA结合，在电化学信号的转导过程中发挥重要作用，使得检测灵敏度和特异性更加突出。
此外，纳米颗粒的形状、表面功能化、孔径和粒径等特性也可以通过改变材料的制备方法进行调节，进一步提高了DNA电化学生物传感器的性能。
总之，纳米材料在新型DNA电化学生物传感器中的应用研究，为基于电化学技术的生物传感器研发提供了新的思路和方法，为实现快速、准确、便捷的分子诊断技术做出了重要贡献。
关于生物检测传感器类型、基本原理及主要应用的文献整理
2 压电石英晶体传感器
2.1 基本原理及结构
压电石英晶体传感器是利用石英晶体作为基底的体声波器件在厚度剪 切模式振荡过程中与周边环境的相互作用, 切模式振荡过程中与周边环境的相互作用, 由器件超高频声波的声电 阻抗谱、频谱或相位等参量变化对环境介质如质量、粘弹性、导纳、 介电或流变特性等物理化学性能作出相关应答并转换成相应的检测信 号。
1.2 DNA电化学传感器的主要应用 DNA电化学传感器的主要应用
1.2.1 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 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。Palecek DNA磷酸核糖骨架的断裂 磷酸、核糖或碱基的损伤等。Palecek 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 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 DNA损伤的研究。 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 DNA传感器用于监控由 反应所造成的 DNA链的断裂。 DNA链的断裂。 1.2.2 环境污染监控 利用固定的双链DNA 修饰层使电活性污染物在电 利用固定的双链DNA 极上优先富集; 极上优先富集; 检测由污染物键合引起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 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。 1.2.3 病原基因检测 利用一段38 个碱基的低聚核苷酸探针制备了一种 利用一段38 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 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。 1.2.4 基因疾病诊断 将一段 20个碱基的探针固定于金电极 ,制备了一 20个碱基的探针固定于金电极 种用于致癌基因 vzmyc序列检测的电化学传感器；通过一段固定在传 vzmyc序列检测的电化学传感器；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 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。
DNA电化学生物传感器的研究与应用
Ξ 收稿日期:2009-06-11作者简介:谢灵珠(1974—),女,四川人,讲师,主要从事航空军械研究.DNA 电化学生物传感器的研究与应用Ξ谢灵珠1,杨 涛2,包小林3(1.海军航空工程学院青岛分院,山东青岛 266042;2.青岛科技大学,山东青岛 266042;3.青岛海军潜艇学院,山东青岛 266000)摘要:介绍了DNA 电化学生物传感器的原理和特点,对DNA 探针固定、杂交的指示的研究设计进展进行了综述,并对其在生物武器、基因疾病诊断、体外药物分析和筛选及环境检测进行了展望.关键词:DNA 电化学生物传感器;生物电化学分析中图分类号:T J6文献标识码:A 文章编号:1006-0707(2009)09-0119-06 脱氧核糖核酸(DNA )是遗传信息的载体,具有存储和传递信息的功能.对于核酸的分析在生物化学和生物分子学中具有极其重要的意义,但随着基因工程技术的飞速发展,传统的生化分析方法已不能满足其分析测试的需要.因此许多交叉学科的分析手段在生命科学领域的应用便引起了广泛关注.DNA 电化学生物传感器就是代表这种思想的一种崭新的技术构思,这类传感器凭借生物体内物质间的特异性亲和力能够快速、直接地识别特定序列的DNA ,既具有选择性好、种类多、测试费用低及适合联机化的优点,又具有电化学分析中简便、快速、灵敏的特点.DNA 电化学生物传感器在生物武器、遗传工程、环境检测和临床医学等领域具有重要的应用价值,采用生物传感器测定DNA 序列经过十几年的发展已成为电化学分析中的热点,许多课题组正致力于研究微型化高灵敏度的DNA 传感器.1 DNA 电化学生物传感器的基本原理和结构 DNA 电化学生物传感器的工作原理是:在适当的条件下,固定在电极表面上已知序列的单链DNA 片段(DNA 探针)与溶液中的待测DNA 发生杂交,利用两条互补单链DNA (ssDNA )间的特异性相互作用,使之形成双链DNA (ds 2DNA ).同时借助于能够识别ssDNA 和dsDNA 的杂交指示剂在杂交前后的电化学响应的改变,来定性检测目标基因是否存在;或者将待测基因固定在电极表面,然后与溶液中的已标定杂交指示剂的DNA 探针进行杂交来检测待测基因序列[1].一般而言,在一定范围内,指示剂的响应信号与待测DNA 的物质的量成线性关系,可据此来检测DNA 的含量,以达到定量测量的目的. 需要指出的是,DNA 非常适合做生物传感之用,因为互补碱基对之间的相互作用是特异性的,而且结合强烈,用单原子、功能基团或长侧链修饰过的核苷酸也可以进行碱基配对,这对于设计非放射性的传感器非常重要.同时DNA 电化学传感方式可以分为:直接DNA 电化学、间接DNA 电化学、DNA 特定的氧化还原的指示检测、纳米粒子的电化学放大、以DNA 为媒介的电子传递等方式,这几种方式各有优缺点(见表1),Deumm ond 等人[2]曾对此有详细的论述.DNA 电化学生物传感器的基本元件包括一个分子识别层和一个换能器.一条单链DNA 探针序列被固定在电极上形成识别层,DNA 探针是此类传感器的生物敏感元件,它是单链DNA 片段或整链,长度从十几个到上千个核苷酸不等,一般使用已被公认的可以识别出待测序列所需的最短序列,其碱基序列与被测DNA 片段的碱基互补;换能器即是杂交指示体系,它的功能是将DNA 杂交信息转化为电压、电流或电导等可以测定的电化学信号,并且对固定化的ssDNA 和dsDNA 具有选择性响应,根据其变化的有无和变化的程度就可以对样品中的DNA 结构和含量等信息加以测定.一般而言,利用DNA 电化学生物传感器测定DNA 的整个过程包括以下几个步骤[3]:第一是ssDNA 的固定,制备DNA 探针,这是此类传感器制作中的首要问题.第二是杂交过程,即寻找合适的杂交条件,使得互补的待测DNA 与探针DNA 相遇较易形成dsDNA ,并最大程度的减少错配.第三是杂交的指示,即如何将杂交信息转化成可以测量的电化学信号,此步也可与上步同时进行.最后是电化学信号的检测.其中DNA 探针的固定和杂交的指示是DNA 电化学生物传感器的关键.图1为原理示意图.第30卷 第9期四川兵工学报2009年9月表1 DNA 电化学传感方式的比较传感器类型优 点缺 点直接DNA 电化学灵敏度高(femtom oles of target )无需标记步骤,应用电极范围宽背景信号高,不能多元化,破坏样品间接DNA 电化学灵敏度高(attom oles of target )通常不需要标记步骤,在同一电极上可以检测多个目标探针层难于制备,破坏样品DNA 特定的氧化还原的指示检测中等灵敏度(femtom oles of target ),很适合多个目标检测,样品保持不变化学标记方法须用“三明治”法,序列变化可能有疑问纳米粒子的电化学放大特别灵敏(femtom ole to zepom ole range ,10-15to 10-21m oles )可应用不同的纳米粒子适合多个目标的检测检测步骤多,表面结构的可靠性和强度有疑问,通常破坏样品以DNA 为媒介的电子传递灵敏度高(femtom ole range )检测简单,无需标记,仅适用于错配检测,序列独立,适用多样化,适用于DNA 2protein 检测步骤需要对目标样品的生物化学处理图1 电化学传感器原理2 DNA 探针的固定2.1 基体电极根据基体电极类型的不同,核酸修饰电极(NAME )一般可分为两大类:①核酸修饰汞电极,此类电极有一定优势[4].但热变性和质子化的ssDNA 分子能强烈地吸附于汞电极[5],这种DNA 疏水性碱基与汞电极疏水性表面间的强烈作用使电极表面的探针无法与靶序列杂交[6],从而限制了汞电极的应用.②核酸修饰固体电极.近些年来,固体电极的研究和应用占有绝对优势,如M illan 等[7]1993年采用玻碳电极制作DNA 传感器.随后Hashim oto 等[8]、Hiroy oshi 等[9]发展了金电极并制得DNA 传感器;其他如石墨电极、碳糊电极[10]、石墨印刷电极[11]、浸蜡石墨电极[12]、充石蜡石墨微孔穴电极[13]、纳米金电极[14]、热解石墨电极[15]、铂电极[16]、锡参杂的铟氧化物电极[17]等也被研究和应用.2.2 DNA 探针通常多采用人工合成的寡聚脱氧核糖核酸作为探针.在适当的温度、pH 值、离子强度下,电极表面的探针与靶序列分子选择性杂交形成双链DNA ,导致电极表面物质结构发生变化,这种前后差异可以用具有电活性的指示剂来识别,从而达到检测靶序列或特定基因的目的.根据一般实验经验,在选择DNA 探针时应遵循以下原则[18]:①探针长度为18～50个碱基,过长的探针将消耗较长的杂交时间、具有较低的合成产率;过短的探针又将缺少特异性.②G 、C 碱基的组成在40%～60%之间最好,G 、C 碱基比率在此范围之外,非特异性杂交将增加.③在探针分子内不存在互补区,存在互补区可导致“发卡”结构,抑制探针杂交.④避免在探针序列中连续出现一个碱基多次重复的现象,(其长度>4)如GGGGG 等.2.3 DNA 探针在电极表面的固定方法探针在电极上的固定是DNA 电化学传感器制备中的关键步骤,目前主要有吸附法、共价键合法、自组装膜法、聚合法、组合法等.1)吸附法吸附法分为直接涂/浸吸附法和在一定电位下富集吸附法.例如,庞代文等[19]和Fei Y an 等[20]分别用直接涂/浸吸附法把探针固定在金电极上.庞代文等将ssDNA 固定到经过抛光、活化、超声波清洗的玻碳电极[21]或金电极上[22];徐春等[23]把探针在TE 溶液中+0.5V 富集吸附于预处理过的石墨电极上,Wang 等[24]Palecek 等[25]也多次用恒电位吸附富集DNA 探针.吸附法的优点是简单,但电极上固定的DNA 在杂交过程中可能脱附,而且DNA 探针的物理结构易发生扭曲,使正确杂交变得困难.2)共价键合法共价键合法一般分2步进行.首先是电极的预处理,以引入活性键合基团并活化,然后进行有机合成,通过共价键合反应把探针DNA 分子修饰到电极表面.因为碳质电极表面易于处理形成活性键合中心,所以共价键合法多用碳质电极做基底电极.M illan 等[7,26]研究发现,在氧化的玻碳电极表面,以水溶性的乙基2(32二甲基丙基)碳二亚胺盐酸盐(E DC )和N 2烃基磺基琥珀酰亚胺(NHS )作偶联活化剂,变性的小牛胸腺DNA 和多聚脱氧鸟苷酸多聚核糖胞苷酸[poly (dG )poly (dC )]片段通过与活化的电极表面O 2酰基异脲形成磷酰胺键共价结合在电极表面.Y ang 等[27]将玻璃表面经氨丙基三乙氧基硅烷(APTES )处理,一方面其水解产物与玻璃表面的硅醇基形成牢固的硅氧烷键,同时也产生氨基功能化表面,再与双功能试剂如戊二醛(G A )或对硝基苯氯甲酸酯(NPC )及马来酐(M A )反应,通过分子两端的功能基团分别021四川兵工学报与基质和DNA末端的衍生基团作用,在室温下成功固定5′2NH22DNA及5′2SH2DNA.刘盛辉等[28]用混酸氧化清洗好的石墨电极,在室温下用四氢化锂铝的乙醚溶液还原,使石墨电极表面的含氧基团全部转化为羟基.接着把电极洗净置入32氨基丙基三乙氧基硅烷的甲苯溶液中进行硅烷化,以导入2NH2.最后将含有E DC和ssDNA的咪唑缓冲液滴在电极表面以固定之.孙星炎等[29]采用先在石墨电极表面导入2NH2基的方法在石墨电极表面导入DNA片段.彭图治[12]将浸蜡石墨电极浸入K2Cr2O7和H NO3溶液中恒电位氧化,清洗后浸入E DC和NHS的磷酸盐缓冲液中活化,最后将ssDNA的磷酸盐缓冲液滴到电极表面以固定探针.共价键合法制备的DNA修饰电极,修饰层稳定,易于分子杂交,但表面活性位点少,表面合成是异相反应,因而固定的DNA量少,响应信号较小.3)自组装膜法自组装膜法是在适当条件下,使分子在固体表面形成有序单分子层的方法,一般以金电极为基体电极,并在探针或金电极表面固定上2SH基团,利用2SH基团可对DNA 进行自组装.Maeda等[30]利用DNA的5′末端磷酸基与22羟乙基二硫化物的羟基反应生成磷酸酯键,再通过巯基将DNA修饰到金电极上去.而Bard等[31]则先将42巯基丁基膦酸(M BPA)在纯乙醇中固定到硅晶片的金膜上,然后再与Al3+反应,形成一层包含Al3+的膜,再通过Al3+与DNA间的静电作用固定ssDNA.T onya[32]利用巯基衍生物将单链DNA[5′2HS2(CH2)62ssDNA23′]固定到金电极表面,研究发现该DNA探针表面修饰层稳定,杂交反应完全可逆,并有特异性.赵元弟等[33]将处理过的金电极置于二巯基乙醇的溶液中6h,取出后用水冲洗,转入含碳二亚胺和DNA的22 (N2吗啡啉)乙磺酸(MES)缓冲溶液中浸泡,取出后用MES 缓冲液冲洗,在金电极表面固定DNA.K agan等[34]用水把氧化铝粉调成糊状涂于布上磨擦金电极,然后置金电极于0.05m ol/L H2S O4中,20.3～+1.5V(vs.Ag/AgCl)以100 mV/s扫至稳定.烷基硫醇溶于75∶25(v/v)乙醇:水溶液中(内含0.02m ol/L巯基丙酸)浸泡电极过夜,冲洗.再把该电极置入pH7.40的磷酸缓冲液中(含2mm ol/L E DC和5 mm ol/L NHS)1h,用缓冲液洗净,滴上20μL探针的丙酮缓冲液(pH4.80),风干,用此方法固定探针.关于自组装膜法还很多,如K obayashi等[35]、周家宏等[36]、周剑章等[37]、林祥钦等[14]、刘志红等[38]均有报道.自组装膜法和共价键合法结合,可使电极表面修饰物有序排列,且稳定性好,有利于杂交,但对巯基化合物修饰的DNA纯度要求高.纳米技术有可能对DNA传感器的灵敏度、稳定性及专一性发挥作用.4)聚合法该方法是利用导电化合物在电极表面的电聚合作用把DNA探针固定在电极表面.徐金瑞等[39]把处理好的玻碳电极烘干后放在氯化亚砜中,30min后取出,用N,N′2二甲基甲酰胺(DMF)洗涤,接着把电极置入聚乙烯醇(PVA)的DMF溶液中30min,最后用80℃热水洗去粘附的PVA,从而制得聚乙烯醇修饰电极.F.G amier等[40]以聚(32乙酸吡咯)/(32N2羟基邻苯二甲酰亚胺吡咯)为前体共聚物,将带有胺基且含有14个碱基的DNA或低聚核苷酸(ODA)嫁接到电极表面.5)组合法用化学修饰剂与电极材料混合制备电极的方法叫组合法.由于碳糊电极的可塑性,非常适用于这种方法.M illan 等[26]将182烷基胺、182烷基酸混入碳糊中,得到化学修饰的碳糊电极,然后在E DC存在的情况下,通过182烷基胺的氨基与ssDNA的5,末端的磷酸基形成磷酰胺键,把ssDNA 固定到电极上;或在E DC和NHS存在的情况下,通过182烷基酸与ssDNA的dG残基结合,将ssDNA固定到电极上.3 杂交的指示 在DNA电化学传感器中必须引入电活性识别物(杂交指示剂或复合指示体系),杂交指示剂是一类具有电活性的物质,起着DNA电化学传感器的信号传递作用,根据杂交指示剂与ssDNA和dsDNA结合方式和结合能力的差异,通过测定其氧化还原峰电流和峰电位可以识别和测定DNA分子.能够选择性的识别ssDNA和dsDNA而又不与DNA链发生不可逆的共价结合,同时又能给出电流或电势识别信号的杂交指示剂是该类电化学DNA生物传感器的重要特点.一般来讲,一个适合电化学DNA生物传感器的指示剂应该对dsDNA比对ssDNA具有更高的选择性结合能力.1)电化学活性的杂交指示剂作为识别物常用的电化学活性的杂交指示剂主要集中在以下几个方面:第一类为金属配合物类杂交指示剂.一些金属配合物因其中心离子的变价性而被用作杂交指示剂,并广泛用于DNA电化学传感器的分析应用中,较常用的此类金属离子有C o、Os、Fe、Ru、Pt等的离子形式,常用的配合物为:2,2′2联吡啶、1,102邻菲咯啉、咪唑并[4,52f]1,102邻菲咯啉、4,4′2二甲基22,2′2联吡啶、二氮杂芴酮缩聚苯二胺、吡啶[3,22f]并[1,7]邻菲咯啉等.C o金属配合物作为典型代表被广泛用做杂交指示剂,赵元第[33]采用电活性配合物C o(phen)2+3作为杂交指示剂,研究了电极表面的DNA杂交.结果杂交后的dsDNA2S AM/Au电极上C o(phen)2+3的峰电流较未杂交前的ssDNA修饰电极的的峰电流明显增大,式电位也由+123mV负移至+117mV.Wang等[41]用C o(phen)3+3为杂交指示剂,也发现相类似的结果.M illan等[7]将C o(phen)3+3及C o(bpy)3+3作为电活性杂交指示剂,证明C o(bpy)3+3作为杂交指示剂不仅能很好的区分ssDNA与dsDNA,而且可以区分特异性杂交和非特异性杂交,即可以用于特定序列DNA的检测.Pang等[42]详细研究了苄基24,4′2连吡啶盐(Benzyl Viologen,BV)与ssDNA2Au电极和dsDNA2Au电极的作用情况,发现BV的峰电流和峰电位在ssDNA2Au电极和dsDNA2Au电极上有显著的差异,并且在低的离子强度下它能很好的静电结合到DNA修饰电极上,同时又能迅速从电极上分离,可使DNA传感器具有很好的重复性.121谢灵珠,等:DNA电化学生物传感器的研究与应用第二类为染料类杂交指示剂.因为许多染料具有与DNA作用的分子模型,近来研究表明:具有π2堆积特性的有机功能染料能在核酸分子表面进行长距组装.常用的染料类指示剂有双苯并咪唑类、亚甲基蓝、红四氮唑、乙锭类、中性红等.双苯并咪唑染料(如H oechst33258)是其中较为理想的一类,有较其他指示剂高得多的电流密度,大约为45μA/cm2[43].Hashim oto等[8]用染料H oechst33258作为电活性杂交指示剂,检测了pVM623的Part I片段上的致癌基因V2myc,同时发现H oechst33258的峰值电流在使用ss2 DNA和dsDNA修饰电极时分别为128nA和170nA,由此可见H oechst33258对dsDNA有比对ssDNA更好的选择性.Er2 dem等[44]K erman等[45]T ani等[46]人对亚甲基蓝(Methylene Blue,M B)进行研究后认为M B作为杂交指示剂的ssDNA探针具有特异的选择性,可用于特定序列靶基因的检测,故M B是较有潜力的一种新型电活性杂交指示剂.程琼等[12]人以红四氮唑作(TT C)为杂交指示剂,实验证明TT C对ds2 DNA具有较好的选择性,是合适的杂交指示剂.第三类为抗癌药物类杂交指示剂.因为许多抗癌药物是以DNA为作用靶点的,如:阿霉素和柔红霉素分子的芳基部分嵌入DNA碱基对之间,水合顺铂和DNA链上的鸟嘌呤碱基配位而使它们具有抗癌作用.研究它们与DNA的相互作用,不仅可作为杂交指示剂,还可以解释药物的药理学作用.道诺霉素(daunomycin)是蒽环类抗生素中较常用的一种杂交指示剂,Hashim oto等[15]对道诺霉素进行深入研究后认为道诺霉素是较合适的DNA电化学传感器的杂交指示剂.庞代文等[47]在抗癌药物与DNA电化学研究方面作了较多工作.方禹之等[48]将以盐酸阿霉素(DXH)为杂交指示剂,结果发现只有与互补序列杂交反应才出现DXH 的氧化还原峰,证明该方法可有效地识别DNA片段.2)寡聚核苷酸上修饰电化学活性官能团作为识别物此类型即是将具有电化学活性的小分子标记在ssDNA 片段上形成DNA探针.常用的标记物有二茂铁,溴化乙锭,聚吡咯,聚噻吩.徐春等[49]以乙基2(32二甲基丙基)炭化二亚胺盐酸盐为偶联活化剂,利用缩合反应分别将电化学活性物质氨基二茂铁和醛基二茂铁成功标记在变性小牛胸腺DNA片段上,制备成二茂铁标记DNA探针.他们[1]将指示剂氨基二茂铁(AFC)标记在含有256个碱基的已知序列ssDNA上形成探针,实验表明标记有电化学活性指示剂AFC的DNA探针可用于特定序列DNA的检测.他们[23]将电化学活性物质溴化乙锭(E B)成功的标记在ssDNA片段上,制成E B标记的DNA探针,Has fa等[50]将二茂铁和已知序列ssDNA探针键合到聚吡咯/铂电极上,以该修饰电极为工作电极,分别与互补序列ssDNA和非互补序列ssDNA 进行杂交反应,并用C V法对杂交结果进行分析,发现与互补序列ssDNA杂交后二茂铁基团的峰电流下降,峰电位正移,而与非互补序列ssDNA作用后二茂铁的峰信号未发生变化.3)利用酶的放大功能在DNA分子上标记酶作为识别物.当标记了酶的ssD2 NA与电极表面的互补ssDNA发生杂交发应后,相当于在电极表面修饰了一层酶,酶具有很强的催化功能,通过测定反应物的变化量可以间接测定DNA.Lumley2W oodear等[51]在待测DNA链端衍生辣根过氧化物酶,在杂交过程中,修饰电极便能催化过氧化氢的电还原.4)其他方法据报道还有无杂交指示剂和三明治法,电化学基因传感器也可以不用指示剂来检测DNA的杂交,因为电活性剂的加入使得电化学信号的本底加大,使得检测的分辨率降低.过去,检测不到DNA杂交的本征信号是由于探针上鸟嘌呤基的存在,因为它不能检测含有鸟嘌呤基的目标分子.解决这个问题的办法是在电极上固定不含鸟嘌呤基的次黄(嘌呤核)苷探针,当嘌呤核苷与目标胞核嘧啶形成基对时,它的氧化信号就能从鸟嘌呤的响应中很好地分离出来,这样DNA杂交的信号就能直接和方便地被检测出来.如Wang等[25]用肌苷代替DNA探针中的鸟嘌呤来消除探针中鸟嘌呤的氧化峰,利用杂交反应后出现的鸟嘌呤的氧化峰进行检测.Ihara[52]先将待测的长链DNA与固定化的短链DNA探针杂交,然后再让长链DNA上未杂交部分与修饰有电活性标记物的短链DNA杂交,进而进行电化学检测,此法即三明治法.4 DNA电化学生物传感器的应用展望 DNA电化学传感器因其简单、快速、灵敏等优点,已经应用或有望应用于:①军事上.在军事上的应用是目前重视的研究项目.由于基因工程的研究成果为生物武器的研究开辟了新的领域—基因武器,便携、快速、灵敏的基因传感器可以发挥重要作用.澳大利亚AM BRI有限公司悉尼实验室的专家研制出的一种手持式纳米DNA传感器2模拟离子通道[53]开关的生物传感器,可以探测空气中的病原体,如炭疽热病菌等,非常适合生物武器的现场检测.②基因探伤和突变检测,Zhou等[54-55]人用Ru(bpy)3+3和C o (bpy)3+3(bpy=2,2′2bipyridine)与DNA的相互作用,采用方波极谱法测定受损DNA,可检测到0.1%的受损碱基;③基因疾病诊断,如Hashim oto等[8]用于致癌基因v2myc序列检测的电化学传感器;Wang等[56-57]制备了用于检测抑癌基因P53和人类免疫缺陷病毒的DNA传感器.④体外药物分析和筛选,庞代文等[47]研究了道诺霉素在DNA修饰石墨微电极上的电化学行为,并建立了测定人尿中痕量道诺霉素的方法;⑤环境检测.Wang[58]报道了用DNA电化学杂交生物传感器对饮用水和污水样本中的病原微生物进行的检测.5 结束语 DNA电化学生物传感器提供了一种简单的、可靠的和价廉的DNA杂交测试方法,凭借其独特的优势,已成为电化学领域的研究热点,它开辟了电化学与分子生物学交叉学科的新领域,为生命科学的研究提供了一种崭新的方法.它具有较高的灵敏度,可探测出微克级的双链DNA分221四川兵工学报子,可以制作成微电极形式.同时,它与目前的DNA生物芯片技术兼容.其不足之处是不能完全定量检测,因为电极制备的每一个过程并非定量进行.电化学基因传感器的研究与发展方向是微型化、阵列化、快速、实时检测技术,甚至将此项技术原理应用于其他生物领域[58].我国在这方面的研究工作起步较晚,但已初具规模,主要集中在各种DNA固定方法的深入研究、研究DNA与小分子的作用以筛选适合高灵敏度检验的杂交指示剂以及探索此类传感器在各个领域的应用等等.目前DNA电化学传感器的稳定性、重现性和灵敏度还有待提高,在测定过程中杂交假象(DNA与其他物质结合)、碱基错配现象必须尽量避免和减少,以及使此类传感器微型化操作简单以推动其真正商品化.随着研究的不断深入,这些问题必将得到解决,DNA电化学生物传感器必将在各领域中占有一席之地.参考文献:[1] Xu Chun,Cai H ong,He Pinggang.E lectrochemical detectionof sequence specific DNA using a DNA Probe labeled withamino ferrocene and chitosan m odified electrode imm obilizedwith ssDNA[J].Analyst,2001,126:62-65.[2] Drumm ond T G,Hill M G,Barton J K.E lectrochemical DNAsens or[J].Nature 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电化学传感器和电化学生物传感器有何区别(一)2024
电化学传感器和电化学生物传感器有何区别（一）引言概述：电化学传感器和电化学生物传感器是两种常见的传感器技术，用于检测和测量环境中的化学物质。
虽然它们在原理和应用上有相似之处，但它们在某些方面存在明显的区别。
本文将从功能、工作原理、检测对象、性能要求和应用范围等五个大点来详细阐述电化学传感器和电化学生物传感器之间的区别。
一、功能：1. 电化学传感器：- 通过电化学反应将目标物质的浓度转化为电信号。
- 可用于检测环境中的气体、离子、有机物等不同种类的化学物质。
2. 电化学生物传感器：- 利用生物体的特定反应来检测目标物质。
- 主要用于检测生物样品中的蛋白质、DNA、细胞等生物分子。
二、工作原理：1. 电化学传感器：- 基于电极材料与目标物质之间的电化学反应。
- 通常采用金属、半导体或导电聚合物作为电极材料，通过测量电化学反应所产生的电流或电势来确定目标物质的浓度。
2. 电化学生物传感器：- 利用生物识别元素（如酶、抗体或核酸）与目标物质之间的特异性反应。
- 生物识别元素可以通过与目标物质结合或催化产生电化学信号，进而进行检测和分析。
三、检测对象：1. 电化学传感器：- 主要用于检测无机物、有机物和气体等非生物分子。
- 例如，用于检测重金属离子、药物残留、环境污染物等。
2. 电化学生物传感器：- 主要用于检测生物样品中的生物分子或细胞。
- 例如，用于检测蛋白质、DNA、细菌等。
四、性能要求：1. 电化学传感器：- 对灵敏度、选择性、稳定性和响应时间等性能要求较高。
- 需要能够实现快速、准确且可重复的测量。
2. 电化学生物传感器：- 对生物识别元素的选择性、稳定性和活性等性能要求较高。
- 需要具备较高的灵敏度和特异性，同时能够保持生物识别元素的生物活性。
五、应用范围：1. 电化学传感器：- 应用于环境监测、食品安全、医疗诊断等领域。
- 可以实现对污染物、残留物、药物浓度等的快速检测和监测。
2. 电化学生物传感器：- 在生物医学、生命科学研究和临床诊断等领域得到广泛应用。
生物传感器实训报告心得
一、实训背景随着科技的飞速发展，生物技术在各个领域中的应用日益广泛。
生物传感器作为一种新型的检测技术，在医疗、环保、食品、农业等领域具有广阔的应用前景。
为了深入了解生物传感器的原理、结构及应用，我们开展了为期两周的生物传感器实训。
二、实训内容1. 生物传感器原理及分类实训首先介绍了生物传感器的定义、原理和分类。
生物传感器是一种将生物信号转化为电信号的装置，主要由生物识别元件、转换元件和信号处理元件组成。
根据检测原理，生物传感器可分为酶传感器、微生物传感器、免疫传感器、基因传感器等。
2. 生物传感器结构及材料实训中，我们学习了生物传感器的结构组成，包括传感元件、信号放大电路、数据处理电路等。
同时，了解了生物传感器所使用的材料，如酶、抗体、受体、核酸等生物大分子，以及金、银、碳等导电材料。
3. 生物传感器应用案例实训通过实际案例分析，让我们了解了生物传感器在各个领域的应用。
例如，在医疗领域，生物传感器可以用于检测血糖、胆固醇、肿瘤标志物等生物标志物；在环保领域，生物传感器可以用于检测水质、大气污染等环境指标；在食品领域，生物传感器可以用于检测食品中的有害物质、营养成分等。
4. 生物传感器设计及制作实训过程中，我们学习了生物传感器的设计原则和制作方法。
首先，根据检测需求，选择合适的生物识别元件和转换元件；然后，设计信号放大电路和数据处理电路；最后，将各个部分组装成完整的生物传感器。
5. 实训实验在实训实验环节，我们亲手制作了一个简单的酶传感器。
实验步骤如下：（1）制备酶溶液：将酶溶解在适当的缓冲液中，调节pH值至酶的最佳活性范围。
（2）制备底物溶液：将底物溶解在缓冲液中，调节pH值至酶的最佳活性范围。
（3）将酶溶液和底物溶液混合，观察反应过程中的颜色变化。
（4）通过比较不同浓度底物溶液的反应速度，绘制酶反应曲线。
三、实训心得1. 增强了对生物传感器原理和结构的认识通过实训，我对生物传感器的原理、结构有了更深入的了解。
电化学DNA生物传感器_张炯
收稿:2006年11月,收修改稿:2006年12月 3国家自然科学基金项目(N o.60537030、20404016)和上海市启明星项目资助33通讯联系人 e 2mail :fchh @ ;sps ong @电化学D NA 生物传感器3张 炯 万 莹 王丽华 宋世平33 樊春海33(中国科学院上海应用物理研究所 上海201800)摘 要 对特异DNA 序列的检测在基因相关疾病的诊断、军事反恐和环境监测等方面均具有非常重要的意义。
DNA 传感器的研究就是为了满足对特异DNA 序列的快速、便捷、高灵敏度和高选择性检测的需要。
近年来涌现出多种传感策略,根据检测方法的不同大致可以分为光学传感器、电化学传感器和声学传感器等。
由于电化学检测方法本身所具有的灵敏、快速、低成本和低能耗等特点,电化学DNA 传感器已成为一个非常活跃的研究领域并在近几年中得到了快速发展。
本文概括了近年来在DNA 传感器的重要分支———电化学DNA 传感器领域内的一些重要进展,主要包括DNA 探针在传感界面上的固定方法和各种电化学DNA 杂交信号的检测方法。
关键词 电化学 DNA 生物传感器中图分类号:O65711;TP212.3 文献标识码:A 文章编号:10052281X (2007)1021576209The E lectrochemical D NA BiosensorZhang Jiong Wan Ying Wang Lihua Song Shiping33 Fan Chunhai33(Shanghai Institute of Applied Physics ,Chinese Academy of Sciences ,Shanghai 201800,China )Abstract Sequence 2specific detection of either genetically or pathogenically ass ociated nucleic acids has become increasingly im portant for applications including point 2of 2care diagnostics ,antiterrorism ,environmental m onitoring and forensic analysis.Therefore ,it is highly desirable to develop DNA detection methods with high sensitivity and selectivity ,as well as speed ,which has m otivated the development of various optical ,electronic and acoustic DNA biosens ors.Because electrochemical detectors are inexpensive ,portable and power 2saving ,electrochemical DNA biosens ors have been widely recognized to be a highly promising approach to detect clinical ,environmental and security relevant nucleic acids ,especially when time ,m oney or res ources are limited.The development of the research on electrochemical DNA biosens or ,one of the m ost im portant branch of DNA biosens ors ,is reviewed.A typical electrochemical DNA sens or inv olves an electrode and surface 2con fined capture probe DNA.Upon hybridization of the imm obilized probes to the sequence 2specific target DNA ,redox labels that either intercalatively bind to the hybridized double 2stranded DNA or covalently tagged to DNA strands generate corresponding electrochemical signals.The imm obilization of DNA probes and electrochemical transduction of DNA hybridization are summarized.K ey w ords electrochemistry ;DNA ;biosens ors1 引言 生物传感器(biosens or )是以生物学组件作为主要功能性元件,能够感受到特定的靶物质并按照一定规律将这种感知转换成可识别信号的器件或装置。
电化学DNA生物传感器的制备及应用
电化学DNA生物传感器的制备及应用摘要：电化学DNA 传感器具有选择性好、灵敏度高、消耗低及简便易用等优点，能够对特征 DNA 序列进行快速准确的测定，因此电化学 DNA 传感器在食品安全检测、医学诊断和环境监测等领域都有广阔的应用前景。
Due to the high sensitivity，good selectivity and low cost for the detection ofspecific single-stranded DNA （ssDNA） sequences at low concentration，electrochemical DNA biosensor can be used in many fields including medical diagnosis，biological engineering，environmental protection and so on.1电化学DNA生物传感器简介脱氧核糖核酸（DNA）是染色体的主要组成部分，也是遗传信息的载体，具有储存和传递信息的能力。
电化学 DNA 传感器具有检测快速、制作简单、灵敏度高以及选择性好等特点，已被广泛应用于医学诊断、法医鉴定、环境监测及食品安全检验等领域[1]。
DNA电化学生物传感器的工作原理是将DNA探针作为敏感元件固定在固体玻碳电极表面，加入具有电活性的物质（如亚甲基蓝MB）作为杂交指示剂，通过检测修饰电极在待测溶液中电化学信号强弱的变化，以确定靶DNA序列的排列；或者将待测基因片段固定在电极表面，然后与溶液中的已标定杂交指示剂的DNA探针进行杂交，来检测待测基因序列。
根据指示剂的电化学信号与目标序列浓度之间的线性关系，可以对特定DNA序列进行定量检测[2]。
2电化学DNA生物传感器的制备电化学DNA传感器制备包括以下四个过程[3]： DNA探针的固定，即要将单链DNA固定到电极表面，形成DNA探针修饰电极。
DNA电化学生物传感器介绍
感器与光学及压 电传感器有很 大不 同。Ｄ Ｎ Ａ电化
学生物传感器反应条件好控制 ， 成 本 非 常 的低 ， 便 于推广普及 ， 因 此 是 当下 生物 传 感 器 领 域 的热 点 。 核酸 ， 作 为 分 子识 别工 具 ， 已被 广 泛 应 用 于 各 个 领
域。
到 了解决技术障碍的方案 ， 商业设备被普遍 推广 ， 充分 体现其研究 的价值 和意 义。而且 我也相信 ：
利用单链 Ｄ Ｎ Ａ的亲 和力 为互补 的 Ｄ Ｎ Ａ 链， 用 于检
测特定 的Ｄ Ｎ Ａ序 列 ， 是 一 种 为探 索 Ｄ Ｎ Ａ的 发展 的 便携式设备 ， 是将 生 物化 学 反 应 能 转 化 为 电信 号 ， 通常 用于 检测 特定 Ｄ Ｎ Ａ序 列 ， 。
１ ． ３ ＤＮＡ电化 学生物 传感 器 的背景
随 着 我 们 进 一 步 完 善 的各 关 键 技 术 ， 随 着 人 们 不 断深入对生 物体的认识 ， 随 着 各 学 科 的 不 断 完 善 和发展 ， Ｄ Ｎ Ａ电化 学 传 感 器 必 将 在 未 来 的发 展 中
Ｄ Ｎ Ａ电化 学 生 物 传 感 器 为 亲 和 型 生 物 电化 学 传感 器 ， 是 利 用 分 子 特 有 的 亲 和力 作 成 的传 感 器 。
的一类 课题 。虽然 Ｄ Ｎ Ａ电化学生物传感器 的发展 过程中取得了巨大的进步 ， 但仍有许多障碍有待克
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述 ・
Ｄ Ｎ Ａ电化 学 生 物 传 感 器 可 以 进 行 生 物 样 品 含 量 的 测定 ， 而 且灵 敏 度 高 ， 专 一性 好 ， 故 它 目前是 医学 生 物传 感 器 中最受 人 青 睐 、 也 最 有 发展 前 途 的 一类 课 题 。Ｄ Ｎ Ａ电化 学 生 物传 感 器具 有 亲 和力 ， 是 由一 个
DNA电化学传感器.
DNA 电化学传感器DNA 的分析对临床医学和遗传工程的研究具有深远的意义和应用价值，已逐渐成为分子生物学, 生物技术和临床医学研究的重要领域. 其中电化学DNA 传感器依靠生物体内物质间特有的亲合力快速、直接获取复杂体系组成信息，具有选择性好、种类多、测试费用低及适合联机化的优点，又有电分析化学的不破坏测试体系、不受颜色影响和简便的特点，能广泛应用于医疗、工业生产、环境监测等领域，已倍受青睐.电化学DNA 传感器的种类很多, 具体和类型的优缺点如下表所示:最早的电化学DNA 传感器是利用DNA 的直接电化学检测的, 但由于碱基(G,C 氧化过电位比较大, 很难实用. 后来多利用间接的方法来实现DNA 的电化学检测, 基本原理如图1所示，即根据杂交前后杂交指示剂嵌入的量不同，进而产生与分析物浓度相关的电化学信号，实现目标物的检测.图1 电化学DNA 传感器结构示意图接着为了提高灵敏度与选择性，很多研究者利用酶及纳米粒子, 量子点的放大效应，来满足低浓度的检测, 如图2所示, 就是利用典型的构建DNA 传感器的”三明治结构”与纳米Pt 的高效电化学催化性质来实现DNA 的低浓度检测.Kurt V. Gothelf 等就利用了PdS,CdS 与ZnS 量子点实现了DNA 的fM 级检测, 如图3所示: 首先图3.C1,2,3:capture DNA; r1,2,3:report DNA ;B: C1,2,3都存在; D: 仅C3@AuWE:汞膜玻碳电极(同为镀汞;RE:Ag/AgCl; CE: Pt在金基底上自组装5-SH- C1,2,3并用MCH 来惰化活性位点, 接着与固载了5-SH-r1,2,3的PdS,CdS, ZnS 量子点退火杂交, 经彻底洗涤后, 金基底上间接固载的金属硫化物纳米颗粒用0.10M HNO3溶解下来, 再利用阳极溶出伏安法(ASV的溶出峰(如图2 B 能很好的分离来定性(电位与定量(电流检测这些溶解的金属离子. 可以利用此装置才检测 target 3, 如图4所示:target 3与r3 有20bases 互补, 而C3与r3 只有15bases 互补, 故可利用前者杂交结合力的竞争优势(将已与C3杂交的PbS 竞争下来脱离金基底—Pd 的ASV 信号降低来实现target 3的检测. 图5就反映了target 3加入前后Pd图4. 竞争检测 DNA target 3 图5. 竞争前后Pb 的ASV 与 nano-PdS@Au的AFM 图的ASV 信号降低的情况及竞争前后金基底上相同区域PdS 纳米粒子的减少情况. 图6就是不同浓度的target3时,Pd 与Cd 的电流比值情况, 显然这是属于”signal off ”类型的电化学DNA 传感器, 但是由于此方法中有一”内标—CdS ”, 所以可以利用Pd 与内标Cd 的信号比值来反应target 3的多少, 进而消除了常规”signal off” 型传感器的缺点.图6. 竞争检测不同浓度的target 3另外Joseph Wang等也利用相似的原理实现了多个DNA 序列的同时检测, 原理和结构如图7,8所示:图7. 利用不同的纳米晶追踪者检测多个目标DNA 图8.SWASV of the metal traces 除了上面的利用纳米粒子的电化学来间接检测DNA 外, 还有一类研究较多的电化学DNA 传感器就是利用被标记(如MB,FC 等电活性物质的DNA 做report 序列, 根据其或probe 与target 作用前后, 电活性分子电信号的变化来反应target 的量. 如图9所示:target3入之前,MB-report 2 与probe 1一端杂交, 使得MB 离电极较远, 电信号弱, 当target 3加入后杂交碱基数多, 占优势,1与2变解旋, 使得MB 离电极很近, 发生电子转移容易, 电信号增加, 显然这是一个” signal-on”的DNA 电化学传感器, 比” signal-off”型占优势, 作者发现此图9. signal-on DNA sensor 图10. 不同浓度的target 3与mismatched 的伏安图传感器不仅稳定性好, 而且加入饱和浓度的5-base-mismatched target 3对测试信号没有任何影响, 如图10所示. 这种类型的电化学DNA 传感器, 设计的思路巧妙, 优势也很大, 现在研究的人员也较多, 类型也会越来越丰富.从上面的一些比较经典的电化学DNA 传感器的构建来看, 利用纳米粒子, 量子点等, 可以实现DNA 的高灵敏度检测, 利用活性物质标记的DNA 也可实现低浓度及有几个碱基错配的检测, 但是实现单碱基错配的检测都不是很容易, 报道也不是很多. 而关于单核苷酸多态性(SNP在DNA 的检测中很重要, 人体许多表型差异、对药物或疾病的易感性等等都可能与SNP 有关, 现在也普遍认为SNP 研究是人类基因组计划走向应用的重要步骤, 所以在电化学DNA 传感器的设计中, 应尝试更多新颖的思路, 实现不仅灵敏度高而且选择性高的多目标物的同时分析.参考文献:1. Naturebiotechnology ，2003，Vol 21，Number 10， 1192－1199Jacqueline BartonElectrochemical DNA sensor2. PNAS , 2006 , vol. 103 , 16677–16680Yi Xia, Arica A. Lubin, Brian R. Baker, Kevin W. Plaxco and Alan J. HeegerSingle-step electronic detection of femtomolar DNA by target-induced strand displacement in an electrode-bound duplex3. J. AM. CHEM. SOC. 2006, 128, 3860-3861Jacob A. Hansen, Rupa Mukhopadhyay, Jonas Ø. Hansen, and Kurt V. GothelfFemtomolar Electrochemical Detection of DNA Targets Using Metal Sulfide Nanoparticles4. J. AM. CHEM. SOC. 2003, 125, 3214-3215Electrochemical Coding Technology for Simultaneous Detection of Multiple DNA TargetsJoseph Wang, Guodong Liu, and Arben Merkocü i。
生物电化学与生物传感器的研究与应用
生物电化学与生物传感器的研究与应用生物电化学是研究生物体内电化学现象的学科，它在生物学、电化学和材料学等领域中起着重要的作用。
生物传感器则是利用生物电化学原理，将生物体内的电化学反应转化成可测量的电信号，用于分析和检测样品中的生物分子或化学物质。
生物传感器具有高灵敏度、高选择性和快速反应的特点，在医学诊断、环境监测和食品安全等领域有着广泛的应用前景。
生物电化学研究的核心是分析生物体内电化学反应的机理和性质。
生物体内存在着许多电化学反应，如氧还原反应、质子转移反应和电子转移反应等。
研究生物电化学可以了解生物体内电子传递的路径和机制，揭示细胞的代谢过程和能量转化机理。
此外，生物电化学还可以研究生物体内电荷的分布和运动，了解细胞的电活性和电生理过程。
生物传感器则是将生物电化学原理应用于实际的检测和分析中。
生物传感器一般由生物识别层、传感转换层和信号处理层组成。
生物识别层包括酶、抗体或DNA等生物分子，用于特异性地与待测物质发生反应；传感转换层将生物分子的识别过程转化为电信号；信号处理层对电信号进行放大、滤波和分析，最终输出检测结果。
生物传感器可以检测各种化学物质，如蛋白质、核酸、糖类和药物等，具有高灵敏度和高选择性的特点。
目前，生物传感器已经广泛应用于医学诊断、药物筛选、食品安全和环境监测等方面。
在医学诊断中，生物传感器可以检测血液中的生物分子，如葡萄糖、脂质和蛋白质等。
通过监测生物分子的浓度变化，可以提前诊断糖尿病、高血压和心脏病等疾病。
此外，生物传感器还可以用于检测药物在体内的浓度，为药物疗效的调节提供依据。
在食品安全方面，生物传感器可以检测食品中的有害物质，如农药残留、微生物和重金属等。
传统的检测方法需要大量的实验室设备和复杂的操作，而生物传感器具有小型化、快速和灵敏度高的特点，可以在食品加工现场直接进行检测，大大提高了食品安全的检测能力。
在环境监测方面，生物传感器可以检测水、土壤和空气中的污染物。
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DNA电化学生物传感器
在生物学方面，随着分子生物学和基因工程领域的迅速发展，人们已经开始对核酸进行更深层次的研究。
但是作为核酸研究的一个重要项目——核酸检测的手段却始终落后于其理论研究，而且目前存在的问题主要是核酸检测的操作繁琐，检测速度较慢。
尤其是分子杂交检测技术，现已广泛应用于生物学、医学和环境科学等有关领域，但其实验过程一直是手工操作，费时费力。
而传统的放射性同位素标记法对时间要求苛刻，安全性差，难以满足各方面的需要。
基于这种缺陷下，DNA生物传感器发展成为一种用于检测分子杂交的新型传感器。
通过使用DNA生物传感器，使得分子杂交检测在速度有了很大的提高。
而在各种DNA生物传感器中目前发展较快的则是DNA电化学生物传感器，下面对这种新型传感器进行介绍。
DNA电化学生物传感器的原理
DNA电化学生物传感器是利用单链DNA(ssDNA)作为敏感元件，通过共价键合或化学吸附固定在固体电极表面，通过电极使ssDNA与目标DNA(靶基因)呈碱基序列互补，在适当的温度、离子强度、pH、缓冲溶液等杂交条件下，探针ssDNA与溶液中的靶基因发生特异性选择杂交，形成双链杂交DNA(dsDNA)，从而导致电极表面结构的变化，再通过加上的电化学标识元素，将所引起电信号(如电压、电流或电导)的变化体现出来的检测特定基因的装置。
其具体工作原理见下图。
DNA电化学生物传感器的分类
根据电化学标识元素的不同，可以将DNA电化学生物传感器分为三类：
（1）具有电化学活性的杂交指示剂。
该类标识元素可以与电机表面生成的dsDNA形成复合物，并生成其氧化—还原峰电位和峰电流，通过这种方法对DNA进行检测。
（2）在寡聚核苷酸上标记电化学活性的官能团。
通过其与电极表面的靶基因选择性的进行杂交反应，生成用于测定的电信号，以此测定DNA。
（3）在DNA分子上标记酶作为识别元素。
当标记了酶的ssDNA与电极表面的互补ssDNA
发生杂交反应后，由于酶具有很强的催化功能，通过测定反映生成物的变化量间接测定DNA。
DNA电化学生物传感器的制备
DNA电化学传感器一般以固体电极作基础电极，将DNA探针片段有效地与之结合，不脱落且保持活性，同时其结合量应满足灵敏度的需要。
往往需要借助有效的物理或化学方法。
（1）吸附结合法
该方法是将碳糊电极放到含DNA探针分子的乙酸缓冲溶液中在一定电位下活化电极，然后在控制电位下吸附富集探针分子，最后用磷酸缓冲溶液淋洗后便可使用。
其特点是简单、灵活，但稳定性不够。
（2）自组装膜法
即基于分子的自组作用，在固体表面自然形成高度有序的单分子层膜的方法。
其特点是表面结构高度有序，稳定性好，有利于杂交；但对巯基化合物修饰的DNA的纯度要求较高，分离提纯操作较烦琐。
（3）共价键结合法
该法首先对电极进行活化预处理，以引入活性键合基团，然后进行表面的有机合成，通过共价键合反应把探针分子修饰到电极表面。
其特点是修饰层稳定，易进行分子杂交，但由于电极表面活性位点有限，表面合成又是异相反应，因而固定的DNA量有限，响应信号小。
（4）组合法
将化学修饰剂与电极材料如石墨粉混合后制备组合修饰电极，再利用ssDNA与修饰剂的相互作用而固定。
这种方法制备的电极修饰层相对稳定，易于杂交反应的发生，但其再生能力较差，使用次数有限。
（5）其他方法
如电聚合法是利用导电聚合物将ssDNA固定在电极表面的方法；化学免疫法是首先在电极表面键合抗生蛋白，然后利用抗生蛋白与生物素之间的亲和作用，使其与5′端标记有生物素的DNA结合，因而将DNA固定于电极表面。
DNA电化学生物传感器的应用
DNA电化学生物传感器由于简单、方便、快速、灵敏、无放射性污染等特点，近年来发展迅速，并且已经广泛的应用于下列医学方面当中。
（1）细菌及病毒感染类疾病诊断
（2）基因诊断
（3）DNA损伤研究
（4）环境监测
（5）药物检验
DNA电化学生物传感器的展望
DNA电化学生物传感器具有重要的理论意义和应用价值。
它开辟了电化学与分子生物学交叉学科的新领域。
为生命科学的研究提供了一种新技术、新方法。
在临床医学和遗传工程等领域的研究具有深远的意义和应用价值。
今后DNA电化学传感器的研究工作将会集中在：（1）适于高灵敏度检测的杂交指示剂的筛选研究；（2）电极结构的优化，稳定的自组装单分子层修饰电极的研究；（3）在疾病基因诊断上的应用；（4）将一些药物作为杂交指示剂，研究其与DNA的相互作用；（5）在农业、食品如转基因食品等方面中的应用。