医学仪器与传感器课程论文题目: 电化学DNA 传感器综述
院（系）：生物科学与工程学院
专业：生物医学工程
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提交日期：2013.05.31
电化学DNA 传感器综述
【摘要】近年来，随着传感器技术的发展，生物传感器已经成为获取生物信息不可或缺的技术，而生物传感器由于灵敏度和选择性、优化检测方法的研究也越来越受到大家的关注。
其中电化学DNA传感器更是被广泛的运用于基因诊断、环境监测、药物研究的研究。
本文介绍了生物传感器的简要原理以及电化学生物传感器的原理及组成，以及发展前景等。
【关键字】电化学DNA传感器、生物传感器、指示剂
一、生物传感器原理及构成
生物传感器指由生物活性材料（酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、细胞、生物组织等）作为敏感基元构成分子识别系统，对被测物惊醒高选择性的识别，通过各种化学或物理转换器捕捉目标与敏感基元之间的作用，并将作用程度用离散或者连续的信号表达出来，从而得出被测物的种类和含量的装置。
简单来说，生物传感器就是利用生物活性物质选择性的识别和测定各种生物化学物质的传感器。
生物传感器主要由敏感的生物元件，换能器以及检测元件三个部分构成，其工作原理是当被测物扩散进入固定的生物敏感膜，经分子识别，发生生物学反应，产生的信息继而被相关的化学转换器或物理转换器转变成可定量和处理的信号，再经检测处理电路放大并输出，从而得知待测物的浓度。
如图1所示
图1.生物传感器原理
生物传感器主要有三种分类方式，按照其感受器中所采用的生命物质分类，可分为:微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、细胞传感器、酶传感器、DNA 传感器等；按照传感器器件检测的原理分类，可分为:热敏生物传感器、场效应管生物传感器、压电生物传感器、光学生物传感器、声波道生物传感器、酶电极生物传感器、介体生物传感器等；按照生物敏感物质相互作用的类型分类，可分为亲和型和代谢型两种。
其主要分类如图2所示。
图2.生物传感器的分类
二、DNA传感器的原理及分类
在这篇综述中，我们将重点研究其中的DNA传感器。
DNA传感器是通过固定在感受器的表面上一直的核苷酸序列的单单链DNA分子，按照碱基互补配对的原则杂交形成双链的DNA，再经过换能器将杂交过程或者所产生的变化转化成电、光、声等物理量，并借助微电子技术分析响应信号和相关基因信息。
DNA 传感器由基因识别系统和相应的换能器构成，根据换能器的不同可分为电化学型、光化学型和压电行DNA传感器等。
三、电化学的原理
电化学DNA 传感器是目前研究者们认为最有发展前景的一类DNA 分析方法因为以电化学技术设计传感器有以下优点: 受环境干扰少不论浑浊或清澈样品电信号的测量均不受干扰; 电信号测量比较简单不需要激光诱导或精密的分光器等装置; 仪器成本低。
电化学DNA传感器通常由一直序列的单链DNA分子与电化学电极组成。
电化学DNA 传感器利用单链DNA( ssDNA) 作为敏感元件通过共价键合或化学吸附固定在固体电极表面，加上识别杂交信息的电活性指示剂( 称为杂交指示剂) 共同构成的检测特定基因的装置，其原理图如图3所示。
其工作原理是利用固定在电极表面的某一特定序列的ss DNA与溶液中的互补序列DNA 的特异识别作用( 分子杂交) 形成双链DNA ( dsDNA) ，同时借助一能识别ssDNA和dsDNA 的杂交指示剂的电化学响应信号的改变来达到检测基因是否存在，达到定性的目的。
同时，当互补序列DNA 的浓度发生改变时，指示剂嵌入后的响应信号也会发生响应变化。
一定范围内指示剂的响应信号与待测DNA 物质的量浓度成线性关系，从而得以检测基因含量，达到定量的目的。
图3.电化学DNA 传感器的工作原理示意图
四、电化学DNA 传感器的制备及检测
电化学DNA 传感器一般以固体电极作基础电极，将DNA 探针片段有效地与之结合，不脱落且保持活性，同时其结合量应满足灵敏度的需要。
往往需要借助有效的物理或化学方法来制备电化学DNA 传感器。
常用的制备方法主要有吸附结合法、共价键结合法、自组装法和化学免疫法等四种，再通过杂交检测技术来进行电化学测定。
电化学DNA传感器的杂交检测技术主要有DNA 的直接电化学、DNA 的媒介电化学、氧化还原指示剂、电化学活性标记物和信号放大杂交检测等五种检测方法。
在检测过程中，DNA 电化学传感器中必须引入电活性识别物(杂交指示剂或复合指示体系) ，杂交指示剂是一类具有电活性的物质，起着DNA 电化学传感器的信号传递作用，根据杂交指示剂与ssDNA 和dsDNA 结合方式和结合能力的差异，通过测定其氧化还原峰电流和峰电位可以识别和测定DNA 分子。
能够选择性的识别ssDNA 和dsDNA 而又不与DNA 链发生不可逆的共价结合，同时又能给出电流或电势识别信号的杂交指示剂是该类电化学DNA 生物传感器的重要特点。
一般来讲，一个适合电化学DNA 生物传感器的指示剂应该对dsDNA 比对ssDNA 具有更高的选择性结合能力。
这种指示剂主要分为两个方面，分别是电化学活性的杂交指示剂作为识别物和寡聚核苷酸上修饰电化学活性官能团作为识别物。
其中前者又主要分为三类，第一类为金属配合物类杂交指示剂。
一些金属配合物因其中心离子的变价性而被用作杂交指示剂，并广泛用于DNA 电化学传感器的分析应用中，较常用的此类金属离子有Co 、Os、Fe、Ru、Pt 等的离子形式，常用的配合物为:2 ，2′2联吡啶、1 ，102邻菲咯啉、咪唑并[4 ，52f ]1 ，102邻菲咯啉、4 ，4′2二甲基22 ，2′2 联吡啶、二氮杂芴酮缩聚苯二胺、吡啶[ 3 ，22f ]并[1 ，7 ]邻菲咯啉等。
第二类为染料类杂交指示剂。
因为许多染料具有与DNA 作用的分子模型，近来研究表明:具有π2堆积特性的有机功能染料能在核酸分子表面进行长距组装。
常用的染料类指示剂有双苯并咪
唑类、亚甲基蓝、红四氮唑、乙锭类、中性红等。
第三类为抗癌药物类杂交指示剂。
因为许多抗癌药物是以DNA 为作用靶点的，如:阿霉素和柔红霉素分子的芳基部分嵌入DNA 碱基对之间，水合顺铂和DNA 链上的鸟嘌呤碱基配位而使它们具有抗癌作用。
研究它们与DNA 的相互作用，不仅可作为杂交指示剂，还可以解释药物的药理学作用。
五、电化学DNA 传感器的应用
DNA 电化学传感器因其简单、快速、灵敏等优点，已经应用或有望应用于：军事上。
在军事上的应用是目前重视的研究项目。
由于基因工程的研究成果为生物武器的研究开辟了新的领域—基因武器，便携、快速、灵敏的基因传感器可以发挥重要作用。
澳大利亚AMBRI 有限公司悉尼实验室的专家研制出的一种手持式纳米DNA 传感器2模拟离子通道开关的生物传感器，可以探测空气中的病原体，如炭疽热病菌等，非常适合生物武器的现场检测；基因疾病诊断，如Hashimoto 等用于致癌基因v2myc 序列检测的电化学传感器; Wang 等制备了用于检测抑癌基因P53 和人类免疫缺陷病毒的DNA 传感器；体外药物分析和筛选，庞代文等研究了道诺霉素在DNA 修饰石墨微电极上的电化学行为，并建立了测定人尿中痕量道诺霉素的方法。
六、电化学DNA 传感器发展前景
DNA 电化学生物传感器提供了一种简单的、可靠的和价廉的DNA 杂交测试方法，凭借其独特的优势，已成为电化学领域的研究热点，它开辟了电化学与分子生物学交叉学科的新领域，为生命科学的研究提供了一种崭新的方法。
它具有较高的灵敏度，可探测出微克级的双链DNA 分子，可以制作成微电极形式。
同时，它与目前的DNA 生物芯片技术兼容。
其不足之处是不能完全定量检测，因为电极制备的每一个过程并非定量进行。
电化学基因传感器的研究与发展方向是微型化、阵列化、快速、实时检测技术，甚至将此项技术原理应用于其他生物领域。
我国在这方面的研究工作起步较晚，但已初具规模，主要集中在各种DNA 固定方法的深入研究、研究DNA 与小分子的作用以筛选适合高灵敏度检验的杂交指示剂以及探索此类传感器在各个领域的应用等等。
目前DNA 电化学传感器的稳定性、重现性和灵敏度还有待提高，在测定过程中杂交假象（DNA 与其他物质结合）、碱基错配现象必须尽量避免和减少，以及使此类传感器微型化操作简单以推动其真正商品化。
随着研究的不断深入，这些问题必将得到解决，DNA 电化学生物传感器必将在各领域中占有一席之地。
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