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DNA电化学传感器的研究进展图文

第20卷第z期

2007年6月聊城大学学报(自然科学版)JournalofLiacchengUniversity(Nat.Sci.)Vol20No.2Jun.2007

DNA电化学传感器的研究进展

王桂香”李衍飞"王文鑫¨马升勇”贾文丽2’王怀生2’

(”泰山学院材料与化学工程系,泰安,271021;”聊城大学化学化工学院,分析化学研究所,聊城252059)

摘要介绍了脱氧棱糖核酸(DNA)电化学传感嚣的原理并重点评速了DNA在不同材料电极

表面的固定化技术,对比了吸附法、共价键合法、自组装法、亲和素一生物素反应系统固定法以厦组

合法固定DNA在构建DNA电化学传感嚣中的特点.参考文献64篇.

关键词DNA电化学传感器,固定,电极,综述

中图分类号0646文献标识码A文章编号1672—6634(2007)02—0048—06

DNA是一类重要的生命物质,是太多数生物体遗传信息的载体,对DNA的研究是生命科学研究领域中极为重要的内容.随着人类基因组计划的顺利实施,基于DNA探针的基因传感器、基因芯片的研究正成为基因组研究的一个热点.DNA电化学传感器是用电化学手段选择性检测DNA的生物传感器t由已知的DNA片断和电活性指示剂构成.利用电活性分子(杂交指示剂)来指示杂交前后信号变化,选择性地识别靶序列.电化学DNA传感器与通常的标记(放射性同位素标记、荧光标记等)探针技术相比,不仅选择性好、灵敏度高、响应快、操作简便及价格低廉,而且有无可比拟的分离纯化基因的功能.故可望用于l临床快速检测基因疾病,探讨各种因素引起的DNA损伤程度和可能的突变机理以及以DNA为作用靶的药物研究“J.1蹦脯样雠绷

∞业()警f鼹DNA电化学传感器是由一个支持DNA片VV

k./。

‘单≥N^片断剂饰到电极表面,构成DNA修饰电极,由于电极图1DNA电化学传寤嚣原理示意图上的探针DNA与溶液中的互补链(即靶序列)杂交的高度序列选择性,使得DNA修饰电极具有极强的分子识别能力.DNA探针分子与靶序列杂交,在电极表面形成ds—DNA,从而导致杂交前后电极表面DNA结构的改变,这种杂交前后的差异可用杂交指示剂来识别,从而达到检测的目的.DNA电化学传感器具有快速、灵敏和价廉等优点,是目前DNA传感器中最成熟的一种.其工作原理如图1.

2DNA在电极表面的固定化方法及其特点

DNA修饰电极是DNA电化学传感器的一个重要部分.将DNA修饰到电极上的方法,文献报道主要集中在以下几种方法,即吸附、共价键合、自组装、亲和素一生物素反应系统固定法和组合法等.

基金项目:

泰山学院引进人才项目(No.Y05—2—03)

收稿日期:

2007-01.15

纛(-

v双慝瞄圃厂\一化一慷圆一~~一一一一~一一一一~一一㈣篓喜训一一

第2期王桂香等:

DNA电化学传感器的研究进展492.1吸附法

Psle{ek是最早从事核酸电化学的研究者.他利用核酸能在汞电极和高秩热解石墨电极(HOPGE)表面产生强烈的吸附,发展了一种简便制备核酸修饰汞电极的方法[2].该方法只需要5~10vL的核酸溶液,便得到稳定的核酸修饰汞电极.但是,由于是液态电极,用作传感器很不方便;吴金添口3等以银基汞膜电极(sBMFE)来代替一般的悬汞电极(HMDE)和滴汞电极(DME),研究了DNA在该电极上的吸附,发现由于SBMFE的刚性,DNA较难在SBMFE上吸附.随表1基于吸附方式固定DNA的骼悼电撮着研究的发展,现在的吸附法可通过物理吸附、化学吸

附和恒电位吸附来实现.Pangm等将ssDNA或dsD-

NA溶液直接滴至新抛光的玻碳电极表面,涂匀,空气

中自然晾干,无菌二次水冲洗,充分浸泡,即得到几乎

为单分子层的DNA修饰电极.Wang口3等利用恒电位

富集方法将DNA探针修饰到碳糊电极上,他们先将

电极在+1.7V下活化lrain,然后将电极浸入含有

DNA的电解质溶液中在+0.5V吸附富集2min即

可.Brett【63等在较正电位1.3V下,利用恒电位富集方

法将变性的DNA修饰到玻碳电极上.其他通过这三

种方式的吸附法举例见表1.

除了以上所述之外,吸附法还可通过静电吸附和LB膜技术来实现o“.Lic”]、Fang口“、周家宏D”等分别利用带正电荷的聚毗咯、阳离子聚合物壳聚糖和聚赖氨酸将单链DNA固定在电极上,大大提高了DNA的固定效率.Langmuir—Blodegett(LB)膜是指水和空气界面形成的有序排列的单分子膜.一般由两亲分子构成,浸入水中时,亲油一端伸向空气,构成排列有序的单分子层,完整转移至固体介质表面,即成LB膜.LB膜技术可在固体表面形成单分子层的生物膜,并根据需要实现分子层的可控积累,即对膜厚的精确控制.在电极表面,一般通过LB膜拉膜设备得到LB膜.由于DNA的水溶性,必须应用一些特殊的铺展方法.如Sastry口"和NicoliniEZ3]等使用LB膜技术将十八烷基胺单分子层转移至固体基质,利用其静电吸附作用固定了DNA.吸附法的优点是方法简单,操作条件温和;不足之处是DNA与固体表面结合力弱,在表面上进行任意取向的不规则分布,故使制得的修饰电极容易发生DNA解脱,灵敏度低,选择性差.该法得到的ssDNA修饰电极不利于分子杂交.

2.2自组装(self—assembly,SA)法

自组装法就是基于分子的自组作用,在固体表面自然形成高度有序的单分子层的方法.在核酸技术中,一般是利用一端带琉基的DNA片段,在金电极表面上形成自组装单分子膜来固定核酸.Hashimoto等[2“首次在含20个碱基ssDNA的5’端修饰HS(CHz):

一,将预处理过的金电极浸入连有琉乙基的DNA探针溶液中,4℃持续搅拌12h,将探针DNA固定到金电极表面,用此DNA电极对PVM632的PatI片段上的致癌基因V—myc进行检测,对目标DNA的检出限高达10-16g/L.OkahataD”等通过57末端连有巯丙基的10个碱基的DNA探针固定到金电极表面.Maedao订等利用ds—DNA的51末端的磷酸基与2一羟乙基二硫化物(HEDS)的羟基反应生成磷酸酯键,将反应混合物通过凝胶柱分离,得到纯的5’末端修饰的dsDNA,再通过一SH将修饰dsDNA固定于金电极表面,得到DNA修饰电极.Hashimoto等o”在ssD—NA5’末端修饰巯乙基,通过巯基将ssDNA固定在金电极上.ItoⅡ”等先合成带琉基基团DNA探针,然后将其组装到金电极上.Nakano啪1等用”硫代己基修饰20链节的低聚核苷酸5’端后,通过自组装法修饰到金电极上.Tonya[503等利用巯基衍生物将单链DNA(5,.HS一(CH:

)6-ssDNA一3’)固定到金电极表面来研究DNA探针的特性,发现该种DNA探针修饰的表面稳定,杂交反应完全可逆,并有特异性.Bard等的修饰方法o”虽然也是通过一SH在金表面的自组装,但与以上几种相比有显著的区别.他们先将4一巯基丁基磷酸(MBPA)在纯乙醇中固定到硅晶片的金膜上,然后再与A13+反应t形成一层包含Al”的膜,再通过AI”与DNA之间的作用将ssDNA固定到电极上.自组装膜法得到的ssDNA/CME表面高度有序,稳定

聊城大学学报(自然科学版)第20卷

性好,在适当的固定密度下,对互补DNA有很好的杂交效率;但它对巯基修饰的DNA纯度要求较高,分离提纯操作繁琐,由于大的亲水性核酸基团,也较难产生一个紧密堆积表面,并且有一定非特异性吸附结合.

2.3共价键合法

共价键合法是通过形成共价键(如:

酰胺键、酯键、醚键等)使

DNA固定到支持电极表面.首先

活化预处理支持电极表面,引人

所需活性基团(如:

一NHz,一

COOH,一OH等),或衍生核苷

酸,使其带上合适的功能团,随后

用双官能团试剂或偶联活化剂联

结支持电极与衍生DNA.目前通

过巯基(一SH)在Au表面自组装

制备DNA修饰电极的方法被广

泛采用,但该修饰方法存在着一

些问题,诸如一SH修饰的DNA

难以合成,且需要分离提纯,操作

表2基于共价键合方式同定DNA的悔体电撮

繁琐;巯基化合物结合DNA后,篓;三;妻;嘉瑟羞!

i嚣i篙E盐S酸,7幽-氨萎筹萎:

;意篇篇E酰。

亚2,胺2-:

;:

笺醇-z;,其体积大幅度增加,故在Au表SPE:

屏椐印94电楹。

CNT:

碳纳米警

面自组装比较困难.基于以上问题,陆琪等03采用先进行一SH化合物自组装,得到自组装单分子层(SAM).再在SAM上共价键合固定DNA的方法制备DNA修饰电极.刘盛辉等[s2-34J用5%(V/V)3一氨基丙基三氧基硅烷(PrNHz,硅烷II)在石墨电极表面硅烷化以导人氨基(一NHz),在pH一6,0的咪唑缓冲溶液中,用EDC作为偶联活化剂,ssDNA的5’端磷酸基与电极表面活化的一NH:

形成磷酸氨基酯键,从而将ssDNA共价固定在电极表面.其他共价固定法见表2.共价键合法制备DNA修饰电极,能得到稳定的修饰层,易进行分子杂交,但由于电极表面反应活性位点少,表面合成又是异相反应,故固定的DNA量少,响应信号小.

2t4亲和素一生物素反应系统固定法・~

生物索(Biotin)是生物体内分布广泛的一种羧化酶的辅酶,一端的・・羧基通过单一、温和的生化反应能与酶、蛋白质、抗体、DNA等通过化学I:

鑫—k

合物.亲和常数为1015L/mol,这种极强的专一性亲和力,在生物分子的图2亲和紊一生物索反应诸固定固定化中意义重大.一般是将亲和素共价偶联[(6-49]或通过静电作用[49,50]DNA原理示意图

吸附到支持物上,随后将生物素连接的DNA通过生物素与亲和素之间的亲和作用而固定(见图2).Mar.razza””和隋森芳““分别直接用电极吸附和先在电极表面移上生物素化的二棕榈酸酯酰乙醇胺单分子层吸附亲和素,再固定生物紊一DNA.用共价偶联的方法固定亲和素比直接吸附亲和素有更好的稳定性及重现性““.Pantano口“、牟颖”“、Xi【s”等已分别利用活性有机基团作用在氨基化和羧基化的电极上共价结合生物素,再通过生物素一亲和素作为生物分子桥固定DNA.Cosnier等““在铂电极上,用衍生了吡咯功能团的生物素电聚合成聚(pyrrole一生物素)膜,以亲和作用固定生物素一ssDNA.基于亲和素一生物索反应系统固定生物分子的方法凭借简便、温和、高效的特点,在生物传感器领域中越来越受到重视.

第2期王桂香等:

DNA电化学传感器的研究进展512.5组合法

组合法就是将化学修饰剂与电极材料混合以制备组合修饰电极.由于碳糊电极的可塑性,适用于组合法修饰.Millan[『571等将18一烷基胺或18烷基酸混入碳糊中,得到化学修饰的碳糊电极,然后在EDC的存在下,通过18一烷基胺的氨基与85一DNA的5’末端的磷酸基形成磷酰氨键.将DNA固定到电极上;或者在EDC和NHS存在下,通过18烷基酸与SS—DNA的dG残基结合,从而将DNA修饰到电极上.周剑章“01等和Bard[svso]分别通过巯丁基磷酸和阳离子聚电解质一聚二烯丙基二甲基胺氯化物在金电极上有序自组装,静电固定DNA探针.姜雄平等“”用N一乙酰半胱胺酸在金表面的自组装,把亲和素共价结合于金表面,再固定生物紊标记DNA.Gajovic—Ejchelmann等“23先在香豆素聚合过程中搀杂亲和素,然后固定了生物素标记的DNA.林琳“”将铂电扳表面,再利用十八烷基胺的自组作用形成正电荷中心,以静电方式固定ssDNA.方禹之等““先在金电聚合一层聚吡咯极表面电沉积一层ZrO:

修饰层,利用ZrO。

的亲氧性,成功固定了5'-PO.一DNA.

3DNA固定化研究趋势

DNA在电极表面的固定化不仅是构建电化学DNA传感器的基础,也是未来DNA生物传感器芯片制作的核心技术,所以对DNA的固定化的深入研究依然是一项迫切的任务.今后的研究将会在以下几个方面有所发展:

(1)电板结构的优化,寻求DNA在电极表面固定的新方法及固定DNA的新材料;(2)电分析化学技术与其他技术相结合,发展响应更灵敏、迅捷,操作简便的DNA传感器;(3)进一步拓展DNA电化学传感器的应用范围,使之渗透到各个方面;(4)致力于DNA电化学传感器的人工智能化的研究,实现DNA电化学传感器的微型化、自动化、智能化.

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