王日晟

（安徽理工大學(xué) 安徽 淮南 232001）

光學(xué)DNA生物傳感器的種類及展望

王日晟

（安徽理工大學(xué) 安徽 淮南 232001）

由于光學(xué)傳感器具有非破壞性和高靈敏度的特點(diǎn)，從而在生物傳感器中有著廣泛的應(yīng)用。而隨著對(duì)基因深入的研究和人類基因全序列的測(cè)序工作的順利完成，利用DNA為載體在生物監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用前景被十分看好。本文首先分析了光學(xué)DNA生物傳感器在生物傳感器中的地位，然后介紹了其研究特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)光學(xué)DNA生物傳感器的基本原理和種類的介紹,結(jié)合多學(xué)科交叉的特點(diǎn),對(duì)DNA生物傳感器的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

光學(xué)；DNA；生物傳感器；光纖

1 引言

生物傳感器是一種多門學(xué)科相互交叉、互相滲透成長(zhǎng)起來(lái)的高新技術(shù)裝置，其主要涉及生物、化學(xué)、物理、數(shù)學(xué)、電子技術(shù)等多種學(xué)科。生物傳感器在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的許多方面有著廣泛的應(yīng)用前景。特別是分子生物學(xué)與光電子學(xué)、微電子學(xué)、納米技術(shù)等新學(xué)科、新技術(shù)結(jié)合，正改變著傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、動(dòng)植物學(xué)等學(xué)科的面貌。對(duì)生物傳感器的研究開發(fā)，已成為國(guó)際科技發(fā)展的新熱點(diǎn)，成為當(dāng)今新興起的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，具有重要的戰(zhàn)略意義。

本文將重點(diǎn)研究光學(xué)DNA生物傳感器。因?yàn)楣鈱W(xué)傳感器具有非破壞性和高靈敏度的特點(diǎn)，利用這些優(yōu)點(diǎn)的光學(xué)的方法，在生物傳感器中有著廣泛的應(yīng)用。目前主要是利用光波導(dǎo)技術(shù)及消失波原理進(jìn)行光學(xué)DNA生物傳感器的研究。光學(xué)DNA生物傳感器主要有光纖式、光漸消失波、表面等離子諧振(共振)式等類型。

2 光纖DNA生物傳感器

光纖DNA生物傳感器是將已知的核苷酸序列的單鏈DNA探針固定在毫米(mm)級(jí)的光導(dǎo)纖維的末端上[1,2]，然后將若干條固定有單鏈DNA探針的光導(dǎo)纖維合成一束，形成一個(gè)微陣列的傳感器裝置，光纖的另一端耦合到熒光顯微鏡中，測(cè)量時(shí)將固定有DNA探針的光纖一端浸入到熒光標(biāo)記的目標(biāo)DNA溶液中雜交，來(lái)自熒光顯微鏡的激光通過(guò)光纖傳導(dǎo)，激發(fā)熒光標(biāo)記物產(chǎn)生熒光，產(chǎn)生的熒光信號(hào)仍經(jīng)光纖返回到熒光顯微鏡中，由CCD相機(jī)接收，獲得DNA雜交的圖譜。光纖DNA傳感器可檢測(cè)雜交后產(chǎn)生的特異性信號(hào)，其選擇性強(qiáng)，易于排除雜交過(guò)程中非特異性吸附干擾。

Piunno等[1,3]1994年首次在石英光纖表面連接長(zhǎng)鏈脂肪酸分子，脂肪酸分子末端連接上脫氧胸腺嘧啶衍生物，然后在光纖上直接合成含20個(gè)胸腺嘧啶的寡核苷酸（dT20），與雜交液中互補(bǔ)序列（dA20）雜交，能檢測(cè) 86ng/L的核酸，需時(shí)46min。每增加100μg/L cDNA，熒光強(qiáng)度增加83%，保存3個(gè)月和劇烈洗滌條件仍能維持活性。

3 光漸消逝波DNA生物傳感器

光漸消逝波DNA傳感器是近年來(lái)發(fā)展很快的一種光學(xué)DNA生物傳感器。其換能器實(shí)際上也是利用光纖傳感器原理制作。當(dāng)一束光線以適當(dāng)?shù)慕嵌冗M(jìn)入光纖時(shí)，它會(huì)以全反射方式在光纖中傳播，產(chǎn)生一種橫貫光纖的波，通過(guò)光纖與其它介質(zhì)的交接處傳出光纖，這種波隨傳播距離快速衰減，我們稱之為消失波。消失波光纖DNA生物傳感器利用這種性質(zhì)，在消失波的波導(dǎo)表面上，加上生物敏感膜（單鏈DNA探針）,當(dāng)消失波穿過(guò)生物敏感膜時(shí)，或產(chǎn)生光信號(hào)，或?qū)е孪Рㄅc光纖內(nèi)傳播光線的強(qiáng)度、相位或頻率的改變，測(cè)量這些變化，即可獲得生物敏感膜上變化的信息。

Graham[4]在1992年，建立了消失波光纖DNA生物傳感器的一般構(gòu)建方法和檢測(cè)方法，對(duì)外界條件如溶液的PH值溫度敏感膜在光纖的位置等對(duì)分析結(jié)果的影響進(jìn)行了研究，同時(shí)對(duì)固定在光纖上的寡核苷酸的長(zhǎng)度及光纖上雜交的機(jī)理進(jìn)行了研究。Strachan[5]在1995年，建立了PCR與消失波光纖DNA生物傳感器的偶聯(lián)，用消失波光纖DNA生物傳感器檢測(cè)PCR的產(chǎn)物。Abel[5]在1996年，對(duì)消失波光纖DNA生物傳感器的再生過(guò)程進(jìn)行了研究，他們發(fā)現(xiàn)雜交形成的雙鏈能通過(guò)加熱法或化學(xué)法解鏈，一個(gè)消失波光纖DNA生物傳感器可以重復(fù)使用數(shù)百次。Liu[5]在1999年，制作了基于人工合成的分子燈塔探針的消失波光纖DNA生物傳感器，設(shè)計(jì)了兩種生物素化的分子探針，通過(guò)生物素-親和素或生物素-抗生蛋白鏈菌素相互作用把探針固定在光纖表面。濃度檢出限為1.1nmol/L。

4 表面等離子體共振(SPR)DNA生物傳感器

表面等離子體共振(SPR)的基本原理是基于金屬膜表面待測(cè)物質(zhì)折射率的變化，一般在棱鏡上被覆蓋一層金屬銀或金的薄膜，與另一種折射率的介質(zhì)相接觸，經(jīng)P偏振處理的光線照射進(jìn)入棱鏡，在金屬-棱鏡界面形成反射。在某一角度(共振角)測(cè)定時(shí)，反射光強(qiáng)度最小。表面等離子體諧振對(duì)附著在金屬表面的電介質(zhì)的折射率非常敏感，而折射率是所有材料的固有特征。因此，任何附著在金屬表面上的電介質(zhì)均可被檢測(cè)，不同電介質(zhì)其表面等離子角不同。當(dāng)金屬膜表面固定的DNA單鏈探針與溶液中其相互補(bǔ)體結(jié)合時(shí)則會(huì)引起折射率的改變，折射率上升，從而導(dǎo)致諧振角改變，用光波導(dǎo)將折射率的變化傳輸給檢測(cè)器可進(jìn)行檢測(cè)[6,7]。

它的檢測(cè)方法有兩種：一是SPR掃描，是改變?nèi)肷浣嵌?，測(cè)定反射光強(qiáng)度與入射角的關(guān)系，如Bier[8]等，以avidin-biotin法固定DNA探針，通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)在共振角處，可配對(duì)的堿基個(gè)數(shù)越多，共振信號(hào)就越強(qiáng)，反射光強(qiáng)度則越小。另一種檢測(cè)方法為SPR顯微鏡，是將入射角固定在共振角附近，用電荷禍合陣列檢測(cè)器(CCD)檢測(cè)反射光強(qiáng)與樣品不同部位的關(guān)系。Com等[9]研究表明，此方式可區(qū)分單雙鏈DNA，并有可能進(jìn)行突變識(shí)別。采用該原理制作的DNA生物傳感器檢測(cè)出靈敏度達(dá)10fmol/mm2，響應(yīng)時(shí)間小于5min[10]。但是該方法的選擇性較差，難于排除非特異性吸附的干擾，而且儀器的成本昂貴。

5 熒光DNA生物傳感器

熒光DNA生物傳感器是將DNA探針鏈進(jìn)行熒光標(biāo)記或與熒光物質(zhì)相結(jié)合，當(dāng)探針與目標(biāo)物質(zhì)作用時(shí)熒光信號(hào)發(fā)生變化，將識(shí)別信息轉(zhuǎn)換為可檢測(cè)的熒光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物質(zhì)的定性、定量檢測(cè)。熒光分析法具有用量少、選擇性好、方法簡(jiǎn)便、靈敏度高、準(zhǔn)確性好、可以原位、實(shí)時(shí)測(cè)定等優(yōu)點(diǎn)。多種光學(xué)生物傳感器都涉及熒光方法，因此熒光DNA生物傳感器并非上述類型完全并列的另一種傳感器。

Yang等[11]利用雜交分子探針技術(shù)在復(fù)雜的生物樣品中實(shí)現(xiàn)對(duì)互補(bǔ)鏈的檢測(cè)。這種檢測(cè)方法不僅用于檢測(cè)核酸、蛋白質(zhì)等生物樣品，而且還可以用于細(xì)胞表抗原、細(xì)胞凋亡的檢測(cè)等各種生化分析領(lǐng)域。Jin研究小組[12]利用納米金顆粒同時(shí)作為DNA的載體和熒光信號(hào)分子的猝滅劑，建立了一種基于熒光共振能量轉(zhuǎn)移進(jìn)行G-四鏈體小分子配體篩選的方法。Wang 等研究者基于共聚物與 DNA 鏈之間的靜電作用，以及共聚物與熒光素之間的熒光共振能量轉(zhuǎn)移，建立了一種檢測(cè)溶菌酶的熒光適體傳感器[13]。Stanton等[14]利用分子信標(biāo)方法以及適體與凝血酶的特異性結(jié)合，建立了一種基于熒光共振能量轉(zhuǎn)移和適體結(jié)構(gòu)變化原理來(lái)檢測(cè)凝血酶的方法。當(dāng)存在ATP時(shí)，ATP和適體特異結(jié)合，適體構(gòu)型發(fā)生變化，帶有猝滅基團(tuán)的DNA鏈被釋放出來(lái)，熒光共振能量轉(zhuǎn)移受到抑制從而使熒光信號(hào)增加[15]。Zhou等[16]利用商業(yè)化有機(jī)染料TOTO與DNA核酸適體組成的復(fù)合物對(duì)蛋白成鍵前后熒光變化的敏感，在生理?xiàng)l件下高選擇性和高靈敏度地檢測(cè)一種潛在的癌標(biāo)記物癌蛋白PDGF-BB。Stojanovic和Landry[17]設(shè)計(jì)了一種檢測(cè)可卡因的生物傳感器。

6 光學(xué)DNA生物傳感器展望

DNA生物傳感器不僅可以識(shí)別特定堿基序列的DNA，還可以檢測(cè)DNA的損傷情況、DNA中所含蛋白質(zhì)種類和數(shù)量等，而光學(xué)DNA生物傳感器分子識(shí)別能力強(qiáng)，可進(jìn)行液相雜交檢測(cè)，在線和實(shí)時(shí)檢測(cè)，以及對(duì)活體內(nèi)核酸動(dòng)態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。同時(shí)，它還與目前的DNA生物芯片技術(shù)兼容，在臨床診斷、環(huán)境監(jiān)測(cè)、藥物篩選等方面都有廣泛應(yīng)用。如近年來(lái)，DNA生物傳感器因其簡(jiǎn)單、快捷、準(zhǔn)確、靈敏的特點(diǎn)在監(jiān)測(cè)環(huán)境中的基因誘變劑和病原微生物等方面受到廣泛重視[18]。DNA生物傳感器在監(jiān)測(cè)環(huán)境中的病原微生物時(shí)選擇被監(jiān)測(cè)對(duì)象的特異性DNA片段為探針，運(yùn)用電化學(xué)或熒光指示劑，檢測(cè)DNA的雜交信號(hào)。隨著生物化學(xué)和功能高分子材料的發(fā)展，生物傳感器將會(huì)向集成化、商品化的方向發(fā)展，其在市場(chǎng)上將會(huì)有更很好的應(yīng)用前景。

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TP212.4 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1009-5624（2018）02-0146-02

王日晟(1993-)，男，漢族，安徽淮南人，碩士研究生，DNA計(jì)算與數(shù)據(jù)處理。