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脱氧核糖核酸电化学传感器缪雄心 摘要 　对电化学DNA 传感器的组成及其在DNA 损伤研究、环境污染监控、病原基因检测、基因疾病诊断和药物机理分析等方面的应用进行了总结,并对其发展趋势进行了评述。 关键词 电化学DNA传感器、脱氧核糖核酸、脱氧核糖核酸电化学传感器 1.引言 最早的电化学传感器可以追溯到20世纪50年代，当时用于氧气监测。到了20世纪80年代中期，小型电化学传感器开始用于检测PEL范围内的多种不同有毒气体，并显示出了良好的敏感性与选择性。目前，为保护人身安全起见，各种电化学传感器广泛应用于许多静态与移动应用场合。 随着人类基因工程的迅速发展,传统的生化方法已不能满足需要,许多新的分析方法和检测器件应运而生,DNA 传感器便是其中之一。DNA 传感器的基本原理是检测由DNA 探针所提供的分子识别过程,并通过一个换能器将检测结果转化为可识别信号。DNA 传感器种类很多,按换能方法分类,主要有光纤荧光法假布儒斯特角反射法、表面等离子共振法、压电共振法、石英晶体微天平法、表面声波法、化学发光法、电位滴定法、阻抗谱法、电容法和伏安法等。其中,基于电化学换能方法的DNA 传感器因其体积小、花费低和易微型化等特点而备受人们青睐。 DNA电化学传感器的原理 电化学DNA 传感器一般由一个固定DNA 片段的电极和用于检测的电活性杂交指示剂构成。在适当条件下,利用两条互补的DNA 单链间的特异性相互作用,使电极表面上已知序列的DNA 片段(DNA探针) 与溶液中的待测序列DNA(靶序列) 发生杂交,通过杂交前后电活性指示剂的电化学响应的变化进行测定;或使电极表面的靶序列与溶液中的已标记电化学活性物质的DNA 探针杂交来测定靶序列。在电极表面的DNA 双螺旋结构形成后,该传感器还可用于检测那些与DNA 双链有着特殊亲和力的电活性小分子。 2.1 　基底电极 有关核酸的电化学研究早在40 多年前就已见报道,当时所使用的电极是滴汞电极。70 年代,悬汞电极和碳电极的使用使DNA 的电化学研究得以深入。80 年代末,Paleek等利用核酸修饰汞电极,将核酸伏安分析的灵敏度提高了几个数量级。核酸修饰汞电极主要利用DNA 在汞表面的吸附进行痕量RNA、超螺旋DNA 及DNA 损伤的检测。由于疏水性碱基与汞电极疏水性表面之间强烈的相互作用,导致电极表面的DNA 探针无法与靶序列杂交,限制了汞电极在核酸分析中的应用。为了解决这个问题,人们将目光转向固体电极。常用于这一领域的电极为金电极和碳电极。Millan 等在1993 年就已利用玻碳电极获得了具有序列选择性的电化学DNA 传感器;随后,Hashimoto 等发展了一种基于金电极的基因检测传感器。其它碳材料如石墨电极、碳糊电极[41和石墨印刷电极 等也分别被用于DNA 传感器的研制。近年来,将Pt 电极用作电化学DNA 传感器的研究也见报道,Napier 等则利用尼龙和硝化纤维聚合物修饰的锡掺杂的铟氧化物电极来测定DNA 上鸟嘌呤的电催化氧化。 3 　电化学DNA 传感器的应用　 　核酸是已被广泛应用的分子识别工具,基于核酸识别的电化学DNA 传感器的应用已涉及环境、医药、食品等诸多领域。大致包括DNA 损伤研究、环境污染监控、病原基因检测、基因疾病诊断、药物机理分析等几个方面。 3.1 　DNA 损伤研究 DNA 损伤是指由于化学物质的作用或受辐射而引起的DNA 磷酸核糖骨架的断裂,磷酸、核糖或碱基的损伤等。DNA 损伤种类繁多,仅氧化损伤一类,目前已证实的就有100 多种。由于DNA 损伤会极大地扰乱生物体正常的生理活动,所以,很久以来就是生化研究的一个重点。Paleek 等曾在1996年和1998 年两次对用于DNA 损伤研究的DNA 传感器进行了综述,并认为基于汞电极的传感器最适合于DNA 损伤的研究。2000 年,他们又用悬汞电极发展了一种新的DNA 传感器用于监控由Fenton反应所造成的DNA 链的断裂。 3.2 　环境污染监控 众所周知,许多环境污染物的毒性就表现在它们与DNA 间的相互作用,因此,DNA 传感器可被用于环境中污染物的监控。Wang 等在1997 年曾对这一方面的发展进行了综述,提出了3 种检测方案: ⑴利用固定的双链DNA 修饰层使电活性污染物在电极上优先富集; ⑵检测由污染物键合引起的电极表面修饰核酸内在氧化信号的改变; ⑶对于非电活性的分析物,可通过它与一电活性物质在DNA 修饰电极表面的结合竞争来进行测定。其后,Krull 等又利用基于双层类脂膜(BLMs) 的电化学DNA 传感器来检测环境中黄曲霉素M1 和肼类物质,其中黄曲霉素M1 的检测限达到0. 5 mmolPL ,而肼类物质的检测限更达到μgPL 级。 3.