第七章 基因傳感器

1、一、基因傳感器概述一、基因傳感器概述1. 1. 基因傳感器及原理基因傳感器及原理 以以DNA為敏感元件，通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換器將為敏感元件，通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換器將DNA與與DNA、DNA與與RNA、DNA與其它有機(jī)與其它有機(jī)無(wú)機(jī)離子之間的作用的生物學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓹z無(wú)機(jī)離子之間的作用的生物學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓹z測(cè)的光、電等物理信號(hào)測(cè)的光、電等物理信號(hào)。第七章第七章 基因傳感器基因傳感器Genosensor2.基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) DNA探針探針 信號(hào)轉(zhuǎn)換器信號(hào)轉(zhuǎn)換器3. 基因傳感器的制備步驟基因傳感器的制備步驟 DNA探針的固定探針的固定 雜交過(guò)程雜交過(guò)程 雜交的指示雜交的指示 信號(hào)的檢測(cè)信號(hào)的檢測(cè)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)DNA傳感器

2、涉及兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：傳感器涉及兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)： 有效地將有效地將DNA探針固定在固體基質(zhì)表面的技術(shù)探針固定在固體基質(zhì)表面的技術(shù) 在傳感器在傳感器/液相界面對(duì)于靶基因的檢測(cè)技術(shù)液相界面對(duì)于靶基因的檢測(cè)技術(shù)4. DNA探針的固定化方法探針的固定化方法 吸附法吸附法 共價(jià)鍵結(jié)合法共價(jià)鍵結(jié)合法 自組裝膜法自組裝膜法Au電極拋光、清洗用被HS(CH2)6-標(biāo)記的寡聚核苷酸探針修飾電極表面封閉將目標(biāo)DNA均勻分布在電極表面，雜交形成ds-DNA置于雜交指示劑溶液中，取出洗去表面未被吸附的指示劑選擇選擇DNA探針遵循的原則：探針遵循的原則： 探針的長(zhǎng)度探針的長(zhǎng)度 GC堿基的組成堿基的組成 探針?lè)肿觾?nèi)不能存在互補(bǔ)

3、區(qū)探針?lè)肿觾?nèi)不能存在互補(bǔ)區(qū) 二、基因傳感器的類型二、基因傳感器的類型 電化電化學(xué)學(xué)DNA傳感器傳感器 光纖光纖DNA傳感器傳感器 壓電型壓電型DNA傳感器傳感器 1. 電化學(xué)電化學(xué)DNA傳感器傳感器 電化電化學(xué)學(xué)DNA傳感器由已知序列的單鏈傳感器由已知序列的單鏈DNA分子與分子與電化學(xué)電極組成。電化學(xué)電極組成。 電電極表面固定的極表面固定的ssDNA探針探針 電化學(xué)活性標(biāo)識(shí)物電化學(xué)活性標(biāo)識(shí)物（1 1）電化學(xué)活性標(biāo)識(shí)物）電化學(xué)活性標(biāo)識(shí)物 制作電制作電化學(xué)化學(xué)DNA傳感器的傳感器的關(guān)鍵是必須引入關(guān)鍵是必須引入電化學(xué)活性標(biāo)識(shí)物。電化學(xué)活性標(biāo)識(shí)物。 常用的標(biāo)識(shí)物有三種類型：常用的標(biāo)識(shí)物有三種類型： 電

4、化學(xué)活性的雜交指示劑電化學(xué)活性的雜交指示劑 寡聚核苷酸上修飾電化學(xué)活性的官能團(tuán)寡聚核苷酸上修飾電化學(xué)活性的官能團(tuán) 標(biāo)記酶標(biāo)記酶 電化學(xué)活性的小分子物質(zhì)能與電化學(xué)活性的小分子物質(zhì)能與DNA分子分子發(fā)生可逆性相互作用，其中一些物質(zhì)能夠?qū)０l(fā)生可逆性相互作用，其中一些物質(zhì)能夠?qū)Ｒ恍缘厍度胍恍缘厍度雂sDNA 分子雙螺旋結(jié)構(gòu)的堿基對(duì)分子雙螺旋結(jié)構(gòu)的堿基對(duì)之間，這一類物質(zhì)稱為雜交指示劑。之間，這一類物質(zhì)稱為雜交指示劑。 電化學(xué)活性的雜交指示劑電化學(xué)活性的雜交指示劑 電化學(xué)活性雜交指示劑的電活性可使檢電化學(xué)活性雜交指示劑的電活性可使檢測(cè)電流增大，提高檢測(cè)靈敏度。測(cè)電流增大，提高檢測(cè)靈敏度。 合成帶有電化學(xué)活

5、性基團(tuán)的寡聚核苷酸，合成帶有電化學(xué)活性基團(tuán)的寡聚核苷酸，與電極表面固與電極表面固定的定的ssDNA選擇性地進(jìn)行雜交反選擇性地進(jìn)行雜交反應(yīng)，在電極表面形成帶有電活性官能團(tuán)的雜交應(yīng)，在電極表面形成帶有電活性官能團(tuán)的雜交分子，通過(guò)測(cè)定其電信號(hào)可以識(shí)別和測(cè)定分子，通過(guò)測(cè)定其電信號(hào)可以識(shí)別和測(cè)定DNA分子。分子。 寡聚核苷酸上修飾電化學(xué)活性的官能團(tuán)寡聚核苷酸上修飾電化學(xué)活性的官能團(tuán) 在寡聚核苷酸的在寡聚核苷酸的5-5-端磷酸基上標(biāo)記具有端磷酸基上標(biāo)記具有電化學(xué)活性的羧酸二茂鐵，制成二茂鐵寡聚電化學(xué)活性的羧酸二茂鐵，制成二茂鐵寡聚核苷酸。合成的二茂鐵寡聚核苷酸選擇性地核苷酸。合成的二茂鐵寡聚核苷酸選擇性地

6、與互補(bǔ)單鏈與互補(bǔ)單鏈DNADNA形成復(fù)合物，檢測(cè)其電流的變形成復(fù)合物，檢測(cè)其電流的變化。該電流信號(hào)與復(fù)合物的量相關(guān)?；Ｔ撾娏餍盘?hào)與復(fù)合物的量相關(guān)。 利用酶的化學(xué)放大功能，在利用酶的化學(xué)放大功能，在DNA分子上分子上標(biāo)記酶作為識(shí)別物，當(dāng)被酶標(biāo)記的標(biāo)記酶作為識(shí)別物，當(dāng)被酶標(biāo)記的ssDNA與電與電極表面的互補(bǔ)極表面的互補(bǔ)ssDNA發(fā)生雜交反應(yīng)后，相當(dāng)于發(fā)生雜交反應(yīng)后，相當(dāng)于在電極表面修飾了一層酶，酶具有很強(qiáng)的催化在電極表面修飾了一層酶，酶具有很強(qiáng)的催化功能，通過(guò)測(cè)定反應(yīng)生成物的變化量可以間接功能，通過(guò)測(cè)定反應(yīng)生成物的變化量可以間接測(cè)定測(cè)定DNA。 標(biāo)記酶標(biāo)記酶 檢測(cè)時(shí)，將檢測(cè)時(shí)，將ssDNA探針固

7、定在電極表面，加入探針固定在電極表面，加入具有電活性的物質(zhì)作為標(biāo)識(shí)物，浸入含有被測(cè)目標(biāo)具有電活性的物質(zhì)作為標(biāo)識(shí)物，浸入含有被測(cè)目標(biāo)DNA分子的溶液中，通過(guò)檢測(cè)電極在待測(cè)溶液中分子的溶液中，通過(guò)檢測(cè)電極在待測(cè)溶液中電化學(xué)信號(hào)的變化，確定靶基因的序列。電化學(xué)信號(hào)的變化，確定靶基因的序列。 或者將待測(cè)基因片段固定在電極表面，然后與或者將待測(cè)基因片段固定在電極表面，然后與溶液中已標(biāo)定雜交指示劑的溶液中已標(biāo)定雜交指示劑的DNA探針進(jìn)行雜交，探針進(jìn)行雜交，達(dá)到識(shí)別和測(cè)定靶基因的目的。達(dá)到識(shí)別和測(cè)定靶基因的目的。（2 2）檢測(cè)原理）檢測(cè)原理 電化學(xué)電化學(xué)DNA傳傳感器檢測(cè)原理感器檢測(cè)原理（3）應(yīng)用）應(yīng)用 電

8、化學(xué)電化學(xué)DNA傳感器在傳感器在基因分析、醫(yī)學(xué)基因分析、醫(yī)學(xué)分析、環(huán)境污染監(jiān)測(cè)等方面都有應(yīng)用。分析、環(huán)境污染監(jiān)測(cè)等方面都有應(yīng)用。 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 oligonucl

9、eotide 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靶序列與靶序列與Ss-DNA探針完全配對(duì)或錯(cuò)配時(shí)的濃度探針完全配對(duì)或錯(cuò)配時(shí)的濃度-電流曲線電流曲線雜交時(shí)完全配對(duì)雜交時(shí)完全配對(duì) A+B1個(gè)堿基錯(cuò)配個(gè)堿基錯(cuò)配 A+C堿基完全錯(cuò)配堿基完全錯(cuò)配 A+E2個(gè)堿基錯(cuò)配個(gè)堿基錯(cuò)配 A+D 基因分析基因分析 環(huán)境檢測(cè)環(huán)境檢測(cè) Hg2+的檢測(cè)的檢測(cè) 醫(yī)學(xué)分析醫(yī)學(xué)分析 細(xì)菌及病毒感染類疾病的診斷細(xì)菌及病毒感染類疾病的診斷 基因診斷基因診斷

10、 DNA損損傷研究傷研究2. 光光纖纖DNA傳感器傳感器 以光纖作為轉(zhuǎn)換元件，將雜交過(guò)程中產(chǎn)以光纖作為轉(zhuǎn)換元件，將雜交過(guò)程中產(chǎn)生的特征光學(xué)信號(hào)（熒光、發(fā)光、顏色變化生的特征光學(xué)信號(hào)（熒光、發(fā)光、顏色變化等），通過(guò)光纖探頭傳遞至光檢測(cè)器，經(jīng)光等），通過(guò)光纖探頭傳遞至光檢測(cè)器，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換進(jìn)而測(cè)定出目標(biāo)基因。電轉(zhuǎn)換進(jìn)而測(cè)定出目標(biāo)基因。3.3.壓電晶體壓電晶體DNA傳感器傳感器 壓電晶體壓電晶體DNA傳感器是新型的基因檢測(cè)傳感器是新型的基因檢測(cè)技術(shù)。技術(shù)。 具有操作簡(jiǎn)便快速、成本低、體積小、具有操作簡(jiǎn)便快速、成本低、體積小、易于攜帶等特點(diǎn)，在分子生物學(xué)、疾病診易于攜帶等特點(diǎn)，在分子生物學(xué)、疾病診斷和治療、新藥開(kāi)發(fā)、司法鑒定等領(lǐng)域具斷和治療、新藥開(kāi)發(fā)、司法鑒定等領(lǐng)域具有很大潛力。有很大潛力。壓電晶體壓電晶體DNA傳感器原理傳感器原理 25 小結(jié)：小結(jié)：習(xí)題：習(xí)題：1. 請(qǐng)分別設(shè)計(jì)測(cè)定肌酸酐的電流型酶?jìng)鞲衅?、光纖請(qǐng)分別設(shè)計(jì)測(cè)定肌酸酐的電流型酶?jìng)鞲衅?、光纖酶?jìng)鞲衅骱碗娏餍臀⑸飩鞲衅鳎ü?jié)桿菌中含酶?jìng)鞲衅骱碗娏?/p>