DNA電化學傳感器

1、DNA電化學傳感器DNA的分析對臨床醫(yī)學和遺傳工程的研究具有深遠的意義和應用價值，已逐漸成為分子生物學，生物技術和臨床醫(yī)學研究的重要領域.其中電化學DNA傳感器依靠生物體內(nèi)物質問特有的親合力快速、 直接獲取復雜體系組成信息，具有選擇性好、種類多、測試費用低及適合聯(lián)機化的優(yōu)點，又有電分析化學的不破壞測試體系、不受顏色影響和簡便的特點，能廣泛應用于醫(yī)療、工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測等領域，已倍受青睞.電化學DNA傳感器的種類很多，具體和類型的優(yōu)缺點如下表所示TableTable1 1ComparisonofplatformsforDNAelectrochemicalsensingComparisonofpl

2、atformsforDNAelectrochemicalsensingTypeofsensorAdvantagesDisadvantagesDirectDNAelectrochemistryHighlysensitive(femtomolesoftarget)；requiresnolabelingstep；amenabletoarangeofelectrodesHighbackgrourdestroysthesaiIndirectDNAelectrochemistryHighlysensitive(attomolesoftarget)；usuallyrequiresnolabelingstep

3、；multiple-targetdetectionatsameelectrodeProbesubstratethesampleDNA-specificredoxindicatordetectionModeratetohighsensitivity(femtomolesoftarget)；WAIIsuitedtomultiple-targetdetection；samplesremainunalteredChemicallabelimethodused；sNanoparticle-basedelectrochemistryamplificationExtremelysensitive(femto

4、moletozeptomolerangehIO_15to10-21moles)；wellsuitedtomultiple-targetdetectionwithdifferentnanoparticlesManydevelopsrobustnessofsusuallydestroy(DNAmediatedchargetransportHighlysensitive(femtomolerange)andsimpleassay：requiresnolabeling；uniquelywellsuitedformismatchdetection；sequenceindependent；amenable

5、tomultiplexing；applicabletoDNA-proteinsensingstepBiochemicalpr最早的電化學DNA傳感器是利用DNA的直接電化學檢測的，但由于堿基（G,C氧化過電位比較大，很難實用.后來多利用間接的方法來實現(xiàn)DNA的電化學檢測，基本原理如圖1所示，即根據(jù)雜交前后雜交指示劑嵌入的量不同，進而產(chǎn)生與分析物濃度相關的電化學信號，實現(xiàn)目標物的檢測.Table1ComparisonofplatformsforDNAelectrochemicalsensingTypeofsensorAdvantagesDirectDNAelectrochemistryHighl

6、ysensitive(femtornolesoftarget)；requiresnolabelingstep；amenabletoarangeofelectrodesIndirectDNAelectrochemistryHighlysensitive(attomolesoftarget)；usuallyrequiresnolabelingstep；multiple-targetdetectionatsamelectrodeDNA-speciflctedoxindicatordetectionModeratetohighsensitivity(femtomolesoftarget)；wellsu

7、itedtomultiple-targetdetection； samplesremainunalteredNanopartide-basedelectrochemistryamphflcatanExtremelysensitive(femtomoletozeptomolerange,10-lftoIO】moles)；wellsuitedtomultiple-targetdetectionwithdifferentnanoparticlesDNA-mediatedchargetransportHighlysen&itrve(ftmtoiTiolerange)andsimpleassay

8、；requiresnolabeling；uniquelywllsuitedformismatchdetection；sequenceindependentamenabletomuttiplexing：applicabletoDNA-proteinsensingstep,一分析物、圖1電化學DNA傳感器結構示意圖接著為了提高靈敏度與選擇性，很多研究者利用酶及納米粒子，量子點的放大效應，來滿足低濃度的檢測，如圖2所示，就是利用典型的構建DNA傳感器的三明治結構”與納米Pt的高效電化學催化性質來實現(xiàn)DNA的低濃度檢測KurtV.Gothelf等就利用了PdS,CdS與ZnS量子點實現(xiàn)了DNA的fM級

9、檢測,如圖3所示:首先圖3.C1,2,3:captureDNA;r1,2,3:reportDNA;B:C1,2,3都存在;D:僅C3AuWE:汞膜玻碳電極（同為鍍汞;RE:Ag/AgCl;CE:Pt在金基底上自組裝5-SH-C1,2,3并用MCH來惰化活性位點，接著與周載了5-SH-r1,2,3的PdS,CdS,ZnS量子點退火雜交，經(jīng)徹底洗滌后，金基底上間接周載的金屬硫化物納米顆粒用0.10MHNO3溶解下來，再利用陽極溶出伏安法（ASV的溶出峰（如圖2B能很好的分離來定性（電位與定量（電流檢測這些溶解的金屬離子.可以利用此裝置才檢測target3,如圖4所示:target3與r3有20ba

10、sesS補,而C3與r3只有15basesS補，故可利用前者雜交結合力的競爭優(yōu)勢（將已與C3雜交的PbS競爭下來脫離金基底一Pd的ASV信號降低來實現(xiàn)target3的檢測.圖5就反映了target3加入前后PdA圖4.競爭檢測DNAtarget3圖5.競爭前后Pb的ASV與nano-PdSAu的AFM圖的ASV信號降低的情況及競爭前后金基底上相同區(qū)域PdS納米粒子的減少情況.圖6就是不同濃度的target3時,Pd與Cd的電流比值情況，顯然這是屬于signaloff類型的電化學DNA傳感器，但是由于此方法中有一”內(nèi)標一CdS”所以可以利用Pd與內(nèi)標Cd的信號比值來反應target3的多少，進而

11、消除了常規(guī)signaloff型”傳感器的缺點.圖6.競爭檢測不同濃度的target3H2 2DlDl f02f02DOODOO1 1。1 10.1Q0.1QAmMjnlolMbAmMjnlolMb網(wǎng)鼻oMvdoMvdtEMEM另外JosephWan妤也利用相似的原理實現(xiàn)了多個DNA序列的同時檢測，原理和結構如圖7,8所示：圖7,利用不同的納米晶追蹤者檢測多個目標DNA圖8.SWASVofthemetaltraces除了上面的利用納米粒子的電化學來間接檢測DNA外，還有一類研究較多的電化學DNA傳感器就是利用被標記（如MB,FC等電活性物質的DNA做report序列，根據(jù)其或probe與targ

12、et作用前后，電活性分子電信號的變化來反應target的量.如圖9所示:target3入之前,MB-report2與probe1一端雜交，使得MB離電極較遠，電信號弱，當target3加入后雜交堿基數(shù)多，占優(yōu)勢,1與2變解旋，使得MB離電極很近，發(fā)生電子轉移容易，電信號增加，顯然這是一個”signal”的DNA電化學傳感器，比signaoff型占優(yōu)勢，作者發(fā)現(xiàn)此圖9.signal-onDNAsensor圖10.不同濃度的target3與mismatched的伏安圖傳感器不僅穩(wěn)定性好，而且加入飽和濃度的5-base-mismatchedtarget3對測試信號沒有任何影響，如圖10所示.這種類型

13、的電化學DNA傳感器，設計的思路巧妙，優(yōu)勢也很大，現(xiàn)在研究的人員也較多，類型也會越來越豐富.從上面的一些比較經(jīng)典的電化學DNA傳感器的構建來看，利用納米粒子，量子點等，可以實現(xiàn)DNA的高靈敏度檢測，利用活性物質標記的DNA也可實現(xiàn)低濃度及有幾個堿基錯配的檢測，但是實現(xiàn)單堿基錯配的檢測都不是很容易，報道也不是很多.而關于單核甘酸多態(tài)性（SNP在DNA的檢測中很重要，人體許多表型差異、對藥物或疾病的易感性等等都可能與SNP有關,現(xiàn)在也普遍認為SNP研究是人類基因組計劃走向應用的重要步驟，所以在電T T3 3八化學DNA傳感器的設計中，應嘗試更多新穎的思路，實現(xiàn)不僅靈敏度高而且選擇性高的多目標物的同

14、時分析.參考文獻：1. Naturebiotechnology,2003,Vol21,Number10,11921199JacquelineBartonElectrochemicalDNAsensor2. PNAS,2006,vol.103,16677T6680YiXia,AricaA.Lubin,BrianR.Baker,KevinW.PlaxcoandAlanJ.HeegerSingle-stepelectronicdetectionoffemtomolarDNAbytarget-inducedstranddisplacementinanelectrode-boundduplex3. J.AM.CHEM.SOC.2006,128,3860-3861JacobA.Hansen,RupaMukhopadhyay,Jonas?.Hansen,andKurtV.Gothe