DNA电化学传感器.

1、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Table 1 Comparison of platforms for DNA electrochemical sensingType

2、 of sensorAdvantagesDisadvantagesDirect DNAelectrochemistryHighly sensitive (femtomoles of target)；requires no labeling step；amenable to a range of electrodesHigh backgrourdestroys thesaiIndirect DNAelectrochemistryHighly sensitive (attomoles of target)；usually requires no labeling step；multiple-tar

3、get detection at same electrodeProbe substratethe sampleDNA-specific redoxindicator detectionModerate to high sensitivity (femtomoles of target)；WAII suited tomultiple-target detection；samples remain unalteredChemical labelimethod used；sNanoparticle-basedelectrochemistryampbficatio nExtremely sensit

4、ive (femtomole to zeptomole rangehIO-15to 10-21moles)；well suited to multiple-target detection with differentnanoparticlesMany developsrobustness of susually destroy*DNAmediated chargetransportHighly sensitive (femtomole range) and simple assay：requires nolabeling；uniquely well suited for mismatch d

5、etection；sequenceindependent；amenable to multiplexlng；applicable to DNA-proteinsensing stepBiochemical pr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Table 1 Comparison of platforms for DNA electrochemical

6、sensingType of sensorAdva nt臼廖Direct DNAelectrochemistryHighly sensitive (femtornoles of target)；requires no labeling step；amenable to a range of electrodesIndirect DNAelectrochemistryHighly sensitive (attomoles of target)；usually requires no labelingstep；multiple-target detection at sam electrodeDN

7、A-speciflc redoxindicator detectionModerate to high sensitivity (femtomoles of target)；well suited tomultiple-target detection；samples remain unalteredNan opart*cl e-basedelectrochemistryamphflcfionExtremely sensitive (femtomole to zeptomole range, 10lfto IO：】moles)；well suited to multiple-target de

8、tection with differentnanoparticlesDNA-mediated chargetransportHighly senitrve (fmtoiTiole range) and simple assay；requires nolabeling；uniquely wll suited for mismatch detection；sequenceindependent amenable to muttiplexing：applicable to DNA-proteinsensing step、一i叫图 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

9、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 C3AuWE:汞膜玻碳电极（同为镀汞；RE:Ag/AgCI; 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

10、,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 争下来脱离金基底一 Pd的 ASV 信号降低来实现 target 3 的检测.图 5

11、 就反映了 target 3 加入前后 PdA图 4.竞争检测 DNA target 3 图 5.竞争前后 Pb 的 ASV 与 nano-PdSAu 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 ”内标一 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 t

12、arget 3D 為oio号 Dl他另外 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：ODD ooaooo 1W 110 1limn-.jiff of saOA acMrd / fmc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 metaltraces 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

13、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” signabn”的 DNA 电化学传感 器,比” signaibff 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 tar

14、get 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

15、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 1199Jacqueli ne Bart onTJAElectrochemical DNA sen sor2. PNAS , 2006 , vol. 103,16677-6680Yi Xia, Arica A. Lubi n, Brian R. Baker, Kevi n W. Plaxco and Alan J. HeegerSin gle-step electro nic detecti on of femtomolar DNA by target-i nduced stra nddisplaceme nt in an electrode-bo und duplex3. J. AM. CHEM. SOC. 2006, 128, 3860-3861Jacob A. Hansen, Rupa Mukhopadhyay, Jonas ?. Hansen, and Kurt V. GothelfFemtomolar El