DNA生物傳感器工作原理及實際應用

1、.PAGE 51. - - . 可修編-*農(nóng)業(yè)大學機械交通學院課程論文課程名稱：傳感器原理及工程應用論文題目：DNA生物傳感器工作原理及實際應用班 級：姓 名：學 號：指導教師：.1目錄摘要1關(guān)健詞1前言21 生物傳感器的研究背景22 核酸生物傳感器2 2.1核酸雜交生物傳感器的原理2 2.2DNA雜交生物傳感器用于環(huán)境樣品的微生物檢測3 2.3肽核酸傳感器43 污染物的檢測6 3.1 DNA傳感器檢測芳香族化合物6 3.2 DNA傳感器制備核酸修飾滴汞電極6 3.3 DNA傳感器檢測環(huán)境中的有毒物質(zhì)6 3.4 DNA傳感器用于檢測肼類化合物7 3.5 DNA在響應的變化用于檢測DNA的物理損

2、傷7 3.6 DNA傳感器的其它用途74.結(jié)論7參考文獻8DNA生物傳感器工作原理及實際應用喜龍摘要：基于生物催化和免疫原理的生物傳感器在環(huán)境領(lǐng)域中獲得了廣泛應用。 近年來，隨著分子生物學和生物技術(shù)的開展，人們開發(fā)了以核酸探針為識別元件, 基于核酸相互作用原理的DNA生物傳感器。該傳感器可用于受感染微生物的核酸序列分析、優(yōu)先控制污染物的檢測以及污染物與DNA之間相互作用的研究， 在環(huán)境污染監(jiān)測中具有潛在的巨大應用前景。 簡要介紹了核酸雜交生物傳感器的根本原理及其在環(huán)境微生物和優(yōu)先控制污染物priority pollutant檢測中的應用研究進展。關(guān)鍵詞：DNA ；生物傳感器；核酸雜交；環(huán)境監(jiān)測

3、；優(yōu)先污染物前言生物傳感器對生物物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號進展檢測的儀器。是由固定化的生物敏感材料作識別元件包括酶、抗體、抗原、微生物、細胞、組織、核酸等生物活性物質(zhì)與適當?shù)睦砘瘬Q能器如氧電極、光敏管、場效應管、壓電晶體等等及信號放大裝置構(gòu)成的分析工具或系統(tǒng)。本文介紹的DNA生物傳感器是當前開展最迅速的基因檢測方法之一，其應用圍廣泛，包括傳染病快速檢驗、疾病基因診斷、環(huán)境監(jiān)測、食品平安、法醫(yī)鑒定等。用于DNA生物傳感器的檢測技術(shù)包括熒光技術(shù)，石英晶體微天平，電化學發(fā)光，外表等離子共振光譜和電化學方法,DNA探針等 , 本文主要介紹了,DNA傳感器的工作原理, DNA生物傳感器對環(huán)境檢測的應

4、用，及其他醫(yī)療衛(wèi)生方面的應用。1 生物傳感器的研究背景生物傳感器在環(huán)境監(jiān)測中起著越來越重要的作用。固定化生物層與目標污染物之間的專一性作用是設(shè)計生物傳感器的理論根底，基于生物催化酶、微生物等和免疫原理的生物傳感器已在環(huán)境領(lǐng)域中獲得了廣泛應用。然而利用核酸探針為敏感元件的傳感器在環(huán)境監(jiān)測中開發(fā)應用尚處于起步階段。分子生物學與生物技術(shù)的進展為研究DNA生物傳感器提供了可能。與酶和抗體不同，核酸識別層十分穩(wěn)定，并且易于合成或再生以供重復使用。DNA環(huán)境生物傳感器在環(huán)境分析領(lǐng)域?qū)⑵鹬种匾淖饔?。DNA傳感器除可用于受感染微生物的核酸序列分析，微量污染物的監(jiān)測外，還可用于研究污染物與DNA之間的相互

5、作用，為解釋污染物毒性作用包括致畸，致癌，致突變作用機理提供了可能。核酸雜交生物傳感器DNA序列分析為檢測環(huán)境微生物和病原菌提供了根底。傳統(tǒng)的DNA序列分析基于電泳別離與放射性同位素32P檢測相結(jié)合，該法費時費力，不適用于日常和快速的環(huán)境分析，尤其是現(xiàn)場檢測。新近開發(fā)的用于DNA序列分析的雜交生物傳感器可以大減少分析時間簡化分析手續(xù)，可用于快速現(xiàn)場監(jiān)測，如自來水廠突發(fā)性污染事故的分析等。2.1 核酸雜交生物傳感器的原理核酸雜交生物傳感器的理論根底是DNA堿基配對原理。高度專一性的DNA雜交反響與高靈敏度的電化學檢測器相結(jié)合形成的DNA雜交生物傳感器，在環(huán)境生物技術(shù)領(lǐng)域中將大有所為。在DNA雜交

6、生物傳感器檢測過程中，形成的雜交體通常置于電化學活性指示劑如氧化2復原活性陽離子金屬絡合物溶液中，指示劑可強烈地，但可逆地結(jié)合到雜交體上圖1。由于指示劑與形成的雜交體結(jié)合，產(chǎn)生的信號可以用電化學法檢測。圖1電化學DNA生物傳感器雜交檢測原理示意圖2.2 DNA雜交生物傳感器用于環(huán)境樣品的微生物檢測Wang等開發(fā)出了DNA雜交生物傳感器并用于環(huán)境樣品的微生物檢測，如水體中病原菌Cryptosporidium的測定，Escherichia coli 的測定，這類傳感器的研究包括核酸探針固定化的優(yōu)化、雜交反響條件、指示劑的結(jié)合與檢測等。雜交過程并不是一個簡單的在液相中探針與DNA片段按堿基配對規(guī)則形

7、成雙鏈的反響。影響雜交的因素很多，特別要注意影響雜交反響動力學和效率的因素，包括雜交時間、離子強度、探針長度、序列和雜交溫度等，以保證其高度專一性和靈敏度。適宜長度的DNA片段有利于探針與之雜交，DNA分子中任何帶正電荷或負電荷殘基都會影響雜交效率。此外，在有利于雜交雙鏈形成的條件下，探針分子本身也有利于形成自身雙鏈的二級構(gòu)造甚至三級構(gòu)造，使靶序列不易被檢測到，解決雜交中諸多問題的一個重要方法是用PNA代替DNA作為探針。2.3 肽核酸傳感器Nielson等研究了以肽核酸peptide nucleicacids ,PNA作為探針的另一類傳感器。肽核酸是以肽為骨架的一種新型的DNA模擬物，具有與

8、DNA和RNA結(jié)合的高度親和性，良好的穩(wěn)定性，并能方便地固相合成。PNA的化學構(gòu)造如圖2所示。其骨架由重復的N222氨乙基2甘氨酸通過酰胺鍵相連而成。在PNA中，中性的準肽鏈pseudopeptide chain代替了DNA中的戊糖一磷酸骨架圖2)。由于沒有帶電荷的磷酸基團，雜交時不需要鹽離子以抵消DNA鏈之間的靜電排斥，這樣DNA與PNA更易靠近而形成雜交分子，并且形成的PNA2DNA雜交分子的穩(wěn)定性和堿基配對的特異性得到極大提高。PNA2DNA 形成堿基配對的構(gòu)造式如圖3所示。圖2 PNA與DNA構(gòu)造圖3 PNA與DNA的堿基配對污染物的檢測利用DNA不同識別模式來設(shè)計DNA傳感器，除常用

9、的DNA堿基配對雜交原理外，還可利用污染物的毒性作用如致癌、致突變來設(shè)計新的環(huán)境生物傳感器。3.1 DNA傳感器檢測芳香族化合物Pandey等研究了一種DNA傳感器來檢測芳香族化合物。他們用固定化的雙鏈DNA分子層作為識別元件，當目標污染物芳香化合物存在時，溴化乙錠指示劑流動注射響應信號的減弱，可用來測定目標污染物。3.2 DNA傳感器制備核酸修飾滴汞電極Pulecek等將電極浸泡在修飾溶液中，讓生物大分子強烈地，且不可逆地吸附在電極外表，以此來制備核酸修飾滴汞電極，并用于研究DNA與藥物和蛋白質(zhì)之間的相互作用。3.3 DNA傳感器檢測環(huán)境中的有毒物質(zhì)Wang等利用污染物與DNA在核酸修飾碳電

10、極外表的相互作用來檢測環(huán)境中的有毒物質(zhì)。他們利用雙鏈DNAds DNA層與芳香胺之間的鍵合作用，設(shè)計了一種新型的親和電化學生物傳感器，并用于檢測芳香胺類化合物，檢測限到達納摩爾量級。圖4顯示了利用該傳感器分析受污染地下水樣品的結(jié)果。經(jīng)過非常短的預濃縮時間3 min后，當參加4 10 - 7 mol/ L 和8 10 - 7 mol/ L 22氨基蒽時，傳感器檢測出兩個氧化峰值。圖4b、c中的。未受22氨基蒽污染的天然地下水不產(chǎn)生檢測信號峰。峰大約在+ 110 V 處，為DNA鳥嘌呤殘基的氧化峰?？梢钥闯?，隨著芳香胺濃度升高，陰極鳥嘌呤峰逐漸變?nèi)?。這是由于芳香胺與dsDNA鍵合導致鳥嘌呤局部變化

11、引起的。圖4 DNA碳電極生物傳感器測定受污染地下水中的22氨基蒽(a) 未受22氨基蒽污染的地下水；(b) 參加4 10 - 7 mol/ L22氨基蒽；(c) 參加8 10 - 7 mol/ L 22氨基蒽。3.4 DNA傳感器用于檢測肼類化合物他們還開發(fā)了一種高靈敏度的DNA生物傳感器用于檢測肼類化合物。將dsDNA修飾電極置于該類化合物中，由于N2甲基鳥嘌呤形成，引起鳥嘌呤峰減弱因為鳥嘌呤的氧化是通過N7 位置進展的)。這種鳥嘌呤響應峰的抑制與肼類物質(zhì)的濃度相關(guān)性很好，從而為檢測環(huán)境中微量肼類物質(zhì)污染提供了一種方便快捷的方法。3.5 DNA在響應的變化用于檢測DNA的物理損傷DNA在響

12、應的變化還可用于檢測DNA的物理損傷。近年來，開發(fā)分析評價DNA輻射損傷的方法越來越引入注意，Palecek等早期研究工作是利用滴汞電極的極化曲線來分析2輻射和紫外輻射對DNA的損傷。該法依賴于輻射劑引起的DNA雙螺旋構(gòu)造的構(gòu)型和構(gòu)造的微小改變與DNA電化學響應應用的靈敏度。Wang等目前正在致力于利用陰極DNA2鳥嘌呤的信號改變來開發(fā)微構(gòu)造傳感器芯片，用于檢測輻射損傷。該傳感器還可用于篩選會引起DNA損傷的化學試劑。3.6 DNA傳感器的其它用途DNA生物傳感器除用于檢測外，還可用于研究污染物與DNA之間相互作用，用于解釋不同污染物的毒性作用機理。例如，DNA傳感器可用于適時研究DNA與化學

13、誘變劑之間反響動力學。在污染物與DNA結(jié)合相對強度方面提供有用信息，解釋污染物2DNA鍵合的專一性，或探討DNA 構(gòu)造變化。4 討論DNA生物傳感器的優(yōu)點：與常規(guī)的核酸檢測相比，DNA傳感器有以下特點：可以進展液相雜交檢測：常規(guī)的核酸檢測方法主要是固相雜交，DNA傳感器可以直接在液相反響通過聲、光、電等信號的變化，對靶物質(zhì)的DNA進展定量測定；可以進展DNA實時real-time檢測：把DNA傳感技術(shù)和流動注射技術(shù)相結(jié)合，對DNA的動力學反響過程可以隨時進展監(jiān)測，并可以對DNA進展定量、定時測定，實現(xiàn)了DNA的在線和實時檢測；可以對活體核酸動態(tài)進展檢測：目前尚缺乏有效的方法對活體核酸直接進展研

14、究，DNA傳感技術(shù)為對活體的核酸代轉(zhuǎn)移等動態(tài)過程研究提供了可能；可以進展DNA的大量智能化檢測：DNA傳感技術(shù)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)相結(jié)合，可以篩選出選擇性和活性更高的敏感元件，研制成多功能、智能化的DNA傳感器，可以對多種DNA樣品同時檢測；靈敏度高：DNA傳感器可以對靶物質(zhì)直接檢測，可以結(jié)合PCR技術(shù)和光學技術(shù)及DNA嵌合劑的介入，提高檢測的靈敏度，實現(xiàn)對低拷貝核酸的檢測；特異性強：DNA傳感器是根據(jù)DNA堿基的互補結(jié)合原理制作的，因此，DNA傳感器特異性非常強；無污染：DNA傳感器不需要同位素標記，防止了有害物質(zhì)的污染。 DNA生物傳感器的缺點：響應時間方面：目前在DNA傳感器的研究中，雖然

15、較好地解決了可逆性和特異性識別的問題，但在傳感器的響應時間和靈敏度方面卻不盡如人意,在已報道的各種DNA傳感器中，響應時間大局部在幾十分鐘到1小時以上。這相對于典型的過夜雜交(20 h)來說無疑是一個巨大進步，但對于傳感器來說是太長了。這不僅使其動態(tài)監(jiān)測的優(yōu)勢大打折扣，而且是大批量樣品測定的致命弱點；靈敏度方面：目前DNA傳感器的研究還處于初級階段，雖然在*些方面有所突破，但在靈敏度方面與現(xiàn)行的PCR等方法還有差距。5 結(jié)論DNA生物傳感器應用于環(huán)境污染監(jiān)測有著廣闊的前景。目前，核酸識別分子層的研究與利用還處于初期階段。DNA生物傳感器為生物傳感器家族中添加了新的成員，DNA傳感器的實現(xiàn)需要正

16、確地選擇核酸探針及其固定化和DNA識別信號的有效轉(zhuǎn)換與檢測。毫無疑問，隨著該項技術(shù)的不斷深入研究和日臻成熟，DNA 生物傳感器將成為環(huán)境污染監(jiān)測領(lǐng)域中的一個重要手段。參考文獻:1Wang J，Rivas G，Cai *，et al. DNA electrochemical biosensors for environmental monitoring.A review.Anal Chim Acta,1997，347 (1)：18.2Wang J，Chicharro M ，Rivas Get al.DNA biosensor for thedetection of hydrazines. Ana

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