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电DNA生物传感器基本原理

来源:发布时间:2014-12-03

  DNA作为一种十分重要的生物大分子,是遗传信息的载体,基因表达的物质基础。研究DNA的结构和功能,可以从分子水平上了解生命现象的本质,但这需要多学科的参与以及发展一些新的理论和新的研究手段。
  电分析技术因在快速、灵敏、简便、无毒、低成本和活体检测应用等方面具有无可比拟的优势,使其在临床病理诊断、环境检测、药物分析等领域日益受到重视和关注。DNA的电研究始于20世纪60年代,早期的工作主要集中于DNA的基本电行为的研究。随着极谱学的发展,其它电分析方法也用于DNA的研究,其范围已经扩大到DNA的结构和形态、DNA探针及传感器的研究。
  生物传感器是指用固定化的生物材料或生物体本身作为敏感元件的传感器。若以DNA或DNA辅材为敏感元件,电电极为信号转换器,以电势或电流等为特征检测信号的生物传感器就是电DNA生物传感器。这是近年来发展迅速、颇为新颖的一类生物传感器。因具有灵敏度高、便捷快速、不破坏样品、不受溶液颜色影响、便于微型化等优点,已成为人们关注的一个热点领域,具有很大的研究和应用价值。本文就电DNA生物传感器的有关进展做一综述。
  电DNA生物传感器基本原理
  两条来源不同的单链DNA分子如果完全互补,则可以通过氢键特异性结合而形成双螺旋结构,这就是DNA分子的杂交。由于单链DNA与其互补靶系列杂交具有高度的序列选择性,若将该单链DNA修饰在电极上,则该修饰电极具有极强的分子识别功能。即在适当的温度、酸度、离子强度下,电极表面的DNA探针分子能与靶序列选择性地杂交,形成双链DNA,从而导致电极表面结构的改变。根据杂交前后电极上单链DNA和双链DNA的性能差异,采用电的方法把识别结果转化为可测的电信号,从而实现对DNA结构的识别和浓度的测定,这就是电DNA生物传感器的工作原理。
  可检测的电信号,可以是由检测体系中不同的物质发生氧化还原所形成的。电检测DNA可以分为直接检测和间接检测。直接检测的依据在于DNA与电极表面存在直接电子转移,而且DNA的一些组分包括碱基和核糖在一定电势窗口下也是有电活性的。如DNA分子中鸟嘌呤发生氧化还原反应时不破坏氢键,因此可以利用DNA分子本身电信号的变化来进行检测。间接检测则是通过外加入的一些氧化还原媒介来实现电子传递,借助于这些与DNA选择性结合的有电活性的指示剂来进行杂交检测。这些有电活性的指示剂(杂交指示剂)可以是具有电活性的小分子物质,也可以是一些具有电活性的纳米材料。由于直接检测方法一般需要在DNA本身的结构中含有电活性的基团,这在一定程度上限制了该类传感器的拓展应用。而间接检测法因其可供选择的杂交指示剂种类很多,应用范围广泛,近年来得到了长足发展。下面就间接检测法中采用的两类杂交指示剂在电DNA生物传感器研究方面的应用进展进行介绍。

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