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

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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@Au

WE: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， 1192－1199

Jacqueline Barton

Electrochemical DNA sensor

2. PNAS , 2006 , vol. 103 , 16677–16680

Yi Xia, Arica A. Lubin, Brian R. Baker, Kevin W. Plaxco and Alan J. Heeger

Single-step electronic detection of femtomolar DNA by target-induced strand displacement in an electrode-bound duplex

3. J. AM. CHEM. SOC. 2006, 128, 3860-3861

Jacob A. Hansen, Rupa Mukhopadhyay, Jonas Ø. Hansen, and Kurt V. Gothelf

Femtomolar Electrochemical Detection of DNA Targets Using Metal Sulfide Nanoparticles

4. J. AM. CHEM. SOC. 2003, 125, 3214-3215

Electrochemical Coding Technology for Simultaneous Detection of Multiple DNA Targets

Joseph Wang, Guodong Liu, and Arben Merkocü i