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：Tdble1CompariSQhofphtfcrrriifnrDNAelecttwhmicaleningTyp&ofAdvan伪缨Disadvantag

2、asDirectDNAGledrochemistryHighlysensitlv-e*(femtomolKioftarget)：requiresnoaineiidblGtoaranfeofelsctroctesHighbackgroundsignals；cannotmultiplexed；destroythesampleIndirectDNAelectrcchemistrHihly葩rizitlYQoftarget)-MUllyrequirenol-abelingstep：multiplMargetdeletion馳sameelecbodeProbeubfitratecanbadifficul

3、ttoprpaFft；阳thesampleDNA-speciiic闵d就IndicatordetectionModeratetohighsensitivityfemtomclesoftarget；wll口jit凶tomultiple-targAtdetection；空rnplpsfniairiunaltrdiChemicallabelingsteprequiredunlesssandwichmethudsequencearlationcanproblematicNanEipartlcl亠開sedelectnochemistryampluficationExtr&melysensitlwtoze

4、ptomolerange.10-lstoLD-21FiiQles)?wellsuitedtomultiple-tergetdetectionwithdifferentnanopartlManyde/elopmsntstpsinas開y；reliabilityandrgbustnessoisurfacestrucluresproblernatit；sampleusuall)idestroyedDNA-mediatedchargetransportHighlysnsith-e(femtomol&range)and&irnpl$assay；requiresnolabeling：uniquelywII

5、suitadiforrnismatchdetection；sequenceindepeniient；amenableinFnultipleiing：applicabletoDNA-protelnsendingstepBiochemicalpreparationoftarp&tsamplerequired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.Elecironicreadou

6、tElecironicreadout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.KurtV.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KurtV.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4.5斗.03.0芒-5520115dNA1；B：Cl,2,3都存在;/D：仅C3Aug/AgCl活性位点，接着与固载

7、了希-兄跖上的PdS,CdS,ort图3.Cl,2,q：captWE:汞膜誠碳电极同为镀汞）10在金基底上自组装为-SH-C1,2品并用JMCH来惰化10;CE:PtPotentialImVpgtemtlalPotentialImVZnS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0.10MHN03溶解下来，再利用阳极溶出伏安法（ASV）的溶出峰（如图2B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target3,如图4所示:target3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

8、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target3的检测.图5就反映了target3加入前后Pd图4.竞争检测DNAtarget3图5竞争5o5o5oK*z7-&a&ea4yrl一eBtnu图5就反映了target3加入前后Pd图4.竞争检测DNAtarget3图5竞争5o5o5oK*z7-&a&ea4yrl一eBtnuA.C15-IMOHMD-fiOD-ADOPot&ntlaltmV-120010OD詣00-00-400triVXxY：2235x2235nm.Z:11nm图Xt岂2占5x2岔5“慎壬EDtw的ASV信号降低的情况及竞争前后金基底上相同区

9、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”signaloff”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target3的多少，进而消除了常规”signaloff”型传感器的缺点.，原理和结构如图7,8所示:另外JosephWang等也利用相似的原理实现了多个DNA序图7.利用不同的纳米晶追踪者检测多个目标DNA图8.SWASVofthemetaltraces，原理和结构如图7,8所示:另外JosephWang等也利用相似的原理实现了多个DNA序图7.利用不同的纳米晶追踪

10、者检测多个目标DNA图8.SWASVofthemetaltracessignal-off”型占优势，作者发现此OHAfDHISO-12nM图9.signal-onTflrgtftDNADNAsensor*s|10.不同浓度的tQrget20nMmismatchedched005图6.竞争检测不同浓度的target3000：除了上面的利用纳米粒子的电化学来间接检测DNA夕卜,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

11、前,MB-report2与probe1一端杂交，使得MB离电极较远，电信号弱，当target3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”20nM传感器不仅稳定性好,而且加入饱和浓度的5-base-mismatchedtarget3对测试信号没有任打何影响，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

12、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:Naturebiotechnology，2003，Vol21，Number10，11921199JacquelineBartonElectrochemicalDNAsensorPNAS,2006,vol.103,16677-16680YiXia,AricaA.Lubin,BrianR.Baker,KevinW.PlaxcoandAlanJ.HeegerSingle-stepelectronicdetectionoffemtomolarDNAbytarget-inducedstranddisplacementinanelectrode-boundduplexJ.AM.CHEM.SOC.2006,128,3860-3861JacobA.Hansen,RupaMukhopadhyay,Jonas0.Hansen,andKurtV.GothelfFemtomolarElectro