功能化核酸適配子傳感器的研究進展

王昆　陶占輝　徐蕾等

摘 要 適配子生物傳感器由于其檢測靈敏度高、選擇性好并具有良好的穩(wěn)定性和廣泛的適用范圍等一系列優(yōu)點在近年來得到了迅速發(fā)展，極大地促進了生物傳感器的快速發(fā)展。本文主要針對利用3種檢測方法即電化學、熒光和比色法發(fā)展的適配子傳感器的研究進展進行綜述，并對適配子傳感器的發(fā)展進行了展望。

關(guān)鍵詞 適配子； 生物傳感器； 熒光； 電化學； 比色； 綜述

1 引 言

生物傳感器是利用生物物質(zhì)作為識別元件，將生化反應(yīng)轉(zhuǎn)變成可定量的物理信號，從而在分子水平實現(xiàn)對生命物質(zhì)和化學物質(zhì)檢測和監(jiān)測的分析儀。1962年，Clark和Lyons提出用含酶的膜將尿素或葡萄糖轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物，采用pH計或氧電極進行檢測[1]。1967年，Updike和Hick將葡萄糖氧化酶固化在聚丙烯酰胺膠體中，再將此膠體膜固定在隔膜氧電極上，制成了第一支葡萄糖傳感器[2]。這是生物分析領(lǐng)域重要的里程碑，標志著生物傳感器的誕生。

生物傳感器包括生物識別元件和換能器。傳感器的工作原理可以簡述為生物識別元件識別待測元素， 由換能器將生物化學反應(yīng)中產(chǎn)生的信息轉(zhuǎn)化為可檢測或可處理的化學或物理信號。如圖1所示，傳感器中生物識別元件決定了其特異性，而識別元件的親和 性和換能器的選擇決定了其響應(yīng)速度和靈敏度。 [TS（][HT5”SS] 圖1 生物傳感器的示意圖[3]

Fig.1 Illustration of the preparation of biosensor[3] [HT5][TS）]

早期生物傳感器所用的識別元素多為抗體，有很好的特異性和靈敏度，但也有一定的不足：抗體體積較大，只能在生理環(huán)境下穩(wěn)定，且通常需要在動物體內(nèi)或者細胞環(huán)境下獲得，極大的限制了生物傳感器的發(fā)展。直到1996年，Davis等[4]利用熒光標記的核酸適配子制備了第一個核酸適配子生物傳感器，標志著生物傳感器進入了一個新的時代。

核酸適配子（Aptamer，簡稱適配子）又稱為核酸適體[5，6]，通常是由15～80個堿基組成的寡聚DNA或RNA分子，可利用指數(shù)富集配體系統(tǒng)進化法（Systematic evolution of ligands by exponential enrichment，SELEX）篩選獲得。其基本原理是由一個龐大的隨機單鏈寡核苷酸庫為待篩選全集，目標分子將與呈特異親合性的寡核苷酸片段結(jié)合，在洗脫掉沒有高親和力結(jié)合的寡核苷酸后，剩余的即有可能成為核酸適配體的片段。將得到的片段進行PCR（Polymerase chain reaction）擴增后再繼續(xù)之前的篩選循環(huán)，直到篩選到親和力最高且最短的有效片段，從而獲得對目標分子具有高親合性、高特異性的配體—核酸適配體[7，8]。與抗體相比，適配子作為識別元素表現(xiàn)出諸多優(yōu)點，具有合成重復性好、成本低、穩(wěn)定性好及可逆變性等特點，存儲運輸方便，可通過自動化的固相合成進行大規(guī)模制備。適配子易于功能化修飾，其靶標分子范圍廣，且能夠高特異性識別靶標分子并形成獨特的空間結(jié)構(gòu)，從而引起檢測信號的改變，可滿足作為分子識別元件的要求。

基于上述優(yōu)點，適配子作為識別元素已被廣泛地與熒光、比色、電化學等換能器結(jié)合， 發(fā)展出一系列新型生物傳感器。本文將圍繞熒光、比色和電化學適配子傳感器介紹其近期的研究進展。

2 熒光適配子傳感器

熒光基團可以通過非共價作用、靜電作用、疏水作用、鑲嵌、共價作用等對適配子進行功能化修飾，基于熒光基團的特性，如消光系數(shù)、量子產(chǎn)率、熒光壽命、波長、各向異性和能量轉(zhuǎn)移等，發(fā)展出了多種熒光適配子傳感器。

通過共價作用與適配子結(jié)合制備的熒光適配子傳感器有多種。Yamamoto等[9]將適配子分為兩個獨立的部分，如圖2所示。適配子中一部分能形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，其兩端共價結(jié)合上熒光基團和淬滅劑，由于熒光基團和淬滅劑離得很近，產(chǎn)生了熒光共振能量轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，發(fā)生熒光淬滅。當加入靶分子HIVTat蛋白質(zhì)后，發(fā)夾結(jié)構(gòu)被破壞，并與另一條DNA雜化形成雙鏈，導致熒光基團遠離淬滅劑，從而產(chǎn)生較強的熒光信號。利用此原理成功地檢測了HIVTat蛋白質(zhì)[9]。相似地，Stojanovic等[10]也將適配子分為兩部分，檢測可卡因。

摘 要 適配子生物傳感器由于其檢測靈敏度高、選擇性好并具有良好的穩(wěn)定性和廣泛的適用范圍等一系列優(yōu)點在近年來得到了迅速發(fā)展，極大地促進了生物傳感器的快速發(fā)展。本文主要針對利用3種檢測方法即電化學、熒光和比色法發(fā)展的適配子傳感器的研究進展進行綜述，并對適配子傳感器的發(fā)展進行了展望。

關(guān)鍵詞 適配子； 生物傳感器； 熒光； 電化學； 比色； 綜述

1 引 言

生物傳感器是利用生物物質(zhì)作為識別元件，將生化反應(yīng)轉(zhuǎn)變成可定量的物理信號，從而在分子水平實現(xiàn)對生命物質(zhì)和化學物質(zhì)檢測和監(jiān)測的分析儀。1962年，Clark和Lyons提出用含酶的膜將尿素或葡萄糖轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物，采用pH計或氧電極進行檢測[1]。1967年，Updike和Hick將葡萄糖氧化酶固化在聚丙烯酰胺膠體中，再將此膠體膜固定在隔膜氧電極上，制成了第一支葡萄糖傳感器[2]。這是生物分析領(lǐng)域重要的里程碑，標志著生物傳感器的誕生。

生物傳感器包括生物識別元件和換能器。傳感器的工作原理可以簡述為生物識別元件識別待測元素， 由換能器將生物化學反應(yīng)中產(chǎn)生的信息轉(zhuǎn)化為可檢測或可處理的化學或物理信號。如圖1所示，傳感器中生物識別元件決定了其特異性，而識別元件的親和 性和換能器的選擇決定了其響應(yīng)速度和靈敏度。 [TS（][HT5”SS] 圖1 生物傳感器的示意圖[3]

Fig.1 Illustration of the preparation of biosensor[3] [HT5][TS）]

早期生物傳感器所用的識別元素多為抗體，有很好的特異性和靈敏度，但也有一定的不足：抗體體積較大，只能在生理環(huán)境下穩(wěn)定，且通常需要在動物體內(nèi)或者細胞環(huán)境下獲得，極大的限制了生物傳感器的發(fā)展。直到1996年，Davis等[4]利用熒光標記的核酸適配子制備了第一個核酸適配子生物傳感器，標志著生物傳感器進入了一個新的時代。

核酸適配子（Aptamer，簡稱適配子）又稱為核酸適體[5，6]，通常是由15～80個堿基組成的寡聚DNA或RNA分子，可利用指數(shù)富集配體系統(tǒng)進化法（Systematic evolution of ligands by exponential enrichment，SELEX）篩選獲得。其基本原理是由一個龐大的隨機單鏈寡核苷酸庫為待篩選全集，目標分子將與呈特異親合性的寡核苷酸片段結(jié)合，在洗脫掉沒有高親和力結(jié)合的寡核苷酸后，剩余的即有可能成為核酸適配體的片段。將得到的片段進行PCR（Polymerase chain reaction）擴增后再繼續(xù)之前的篩選循環(huán)，直到篩選到親和力最高且最短的有效片段，從而獲得對目標分子具有高親合性、高特異性的配體—核酸適配體[7，8]。與抗體相比，適配子作為識別元素表現(xiàn)出諸多優(yōu)點，具有合成重復性好、成本低、穩(wěn)定性好及可逆變性等特點，存儲運輸方便，可通過自動化的固相合成進行大規(guī)模制備。適配子易于功能化修飾，其靶標分子范圍廣，且能夠高特異性識別靶標分子并形成獨特的空間結(jié)構(gòu)，從而引起檢測信號的改變，可滿足作為分子識別元件的要求。

基于上述優(yōu)點，適配子作為識別元素已被廣泛地與熒光、比色、電化學等換能器結(jié)合， 發(fā)展出一系列新型生物傳感器。本文將圍繞熒光、比色和電化學適配子傳感器介紹其近期的研究進展。

2 熒光適配子傳感器

熒光基團可以通過非共價作用、靜電作用、疏水作用、鑲嵌、共價作用等對適配子進行功能化修飾，基于熒光基團的特性，如消光系數(shù)、量子產(chǎn)率、熒光壽命、波長、各向異性和能量轉(zhuǎn)移等，發(fā)展出了多種熒光適配子傳感器。

通過共價作用與適配子結(jié)合制備的熒光適配子傳感器有多種。Yamamoto等[9]將適配子分為兩個獨立的部分，如圖2所示。適配子中一部分能形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，其兩端共價結(jié)合上熒光基團和淬滅劑，由于熒光基團和淬滅劑離得很近，產(chǎn)生了熒光共振能量轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，發(fā)生熒光淬滅。當加入靶分子HIVTat蛋白質(zhì)后，發(fā)夾結(jié)構(gòu)被破壞，并與另一條DNA雜化形成雙鏈，導致熒光基團遠離淬滅劑，從而產(chǎn)生較強的熒光信號。利用此原理成功地檢測了HIVTat蛋白質(zhì)[9]。相似地，Stojanovic等[10]也將適配子分為兩部分，檢測可卡因。

摘 要 適配子生物傳感器由于其檢測靈敏度高、選擇性好并具有良好的穩(wěn)定性和廣泛的適用范圍等一系列優(yōu)點在近年來得到了迅速發(fā)展，極大地促進了生物傳感器的快速發(fā)展。本文主要針對利用3種檢測方法即電化學、熒光和比色法發(fā)展的適配子傳感器的研究進展進行綜述，并對適配子傳感器的發(fā)展進行了展望。

關(guān)鍵詞 適配子； 生物傳感器； 熒光； 電化學； 比色； 綜述

1 引 言

生物傳感器是利用生物物質(zhì)作為識別元件，將生化反應(yīng)轉(zhuǎn)變成可定量的物理信號，從而在分子水平實現(xiàn)對生命物質(zhì)和化學物質(zhì)檢測和監(jiān)測的分析儀。1962年，Clark和Lyons提出用含酶的膜將尿素或葡萄糖轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物，采用pH計或氧電極進行檢測[1]。1967年，Updike和Hick將葡萄糖氧化酶固化在聚丙烯酰胺膠體中，再將此膠體膜固定在隔膜氧電極上，制成了第一支葡萄糖傳感器[2]。這是生物分析領(lǐng)域重要的里程碑，標志著生物傳感器的誕生。

生物傳感器包括生物識別元件和換能器。傳感器的工作原理可以簡述為生物識別元件識別待測元素， 由換能器將生物化學反應(yīng)中產(chǎn)生的信息轉(zhuǎn)化為可檢測或可處理的化學或物理信號。如圖1所示，傳感器中生物識別元件決定了其特異性，而識別元件的親和 性和換能器的選擇決定了其響應(yīng)速度和靈敏度。 [TS（][HT5”SS] 圖1 生物傳感器的示意圖[3]

Fig.1 Illustration of the preparation of biosensor[3] [HT5][TS）]

早期生物傳感器所用的識別元素多為抗體，有很好的特異性和靈敏度，但也有一定的不足：抗體體積較大，只能在生理環(huán)境下穩(wěn)定，且通常需要在動物體內(nèi)或者細胞環(huán)境下獲得，極大的限制了生物傳感器的發(fā)展。直到1996年，Davis等[4]利用熒光標記的核酸適配子制備了第一個核酸適配子生物傳感器，標志著生物傳感器進入了一個新的時代。

核酸適配子（Aptamer，簡稱適配子）又稱為核酸適體[5，6]，通常是由15～80個堿基組成的寡聚DNA或RNA分子，可利用指數(shù)富集配體系統(tǒng)進化法（Systematic evolution of ligands by exponential enrichment，SELEX）篩選獲得。其基本原理是由一個龐大的隨機單鏈寡核苷酸庫為待篩選全集，目標分子將與呈特異親合性的寡核苷酸片段結(jié)合，在洗脫掉沒有高親和力結(jié)合的寡核苷酸后，剩余的即有可能成為核酸適配體的片段。將得到的片段進行PCR（Polymerase chain reaction）擴增后再繼續(xù)之前的篩選循環(huán)，直到篩選到親和力最高且最短的有效片段，從而獲得對目標分子具有高親合性、高特異性的配體—核酸適配體[7，8]。與抗體相比，適配子作為識別元素表現(xiàn)出諸多優(yōu)點，具有合成重復性好、成本低、穩(wěn)定性好及可逆變性等特點，存儲運輸方便，可通過自動化的固相合成進行大規(guī)模制備。適配子易于功能化修飾，其靶標分子范圍廣，且能夠高特異性識別靶標分子并形成獨特的空間結(jié)構(gòu)，從而引起檢測信號的改變，可滿足作為分子識別元件的要求。

基于上述優(yōu)點，適配子作為識別元素已被廣泛地與熒光、比色、電化學等換能器結(jié)合， 發(fā)展出一系列新型生物傳感器。本文將圍繞熒光、比色和電化學適配子傳感器介紹其近期的研究進展。

2 熒光適配子傳感器

熒光基團可以通過非共價作用、靜電作用、疏水作用、鑲嵌、共價作用等對適配子進行功能化修飾，基于熒光基團的特性，如消光系數(shù)、量子產(chǎn)率、熒光壽命、波長、各向異性和能量轉(zhuǎn)移等，發(fā)展出了多種熒光適配子傳感器。

通過共價作用與適配子結(jié)合制備的熒光適配子傳感器有多種。Yamamoto等[9]將適配子分為兩個獨立的部分，如圖2所示。適配子中一部分能形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，其兩端共價結(jié)合上熒光基團和淬滅劑，由于熒光基團和淬滅劑離得很近，產(chǎn)生了熒光共振能量轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，發(fā)生熒光淬滅。當加入靶分子HIVTat蛋白質(zhì)后，發(fā)夾結(jié)構(gòu)被破壞，并與另一條DNA雜化形成雙鏈，導致熒光基團遠離淬滅劑，從而產(chǎn)生較強的熒光信號。利用此原理成功地檢測了HIVTat蛋白質(zhì)[9]。相似地，Stojanovic等[10]也將適配子分為兩部分，檢測可卡因。