DNA傳感器突破人類感知極限

劉仲明

（廣州軍區廣州總醫院）

DNA傳感器突破人類感知極限

劉仲明

（廣州軍區廣州總醫院）

承載著生命遺傳物質的DNA分子，可作為檢測基因損傷和錯誤的生物傳感器，也可被用來診斷、治療多種疾病。主要論述了DNA傳感器工作原理、應用及未來發展趨勢。

傳感器；DNA；基因

0 引言

人們為了從外界獲取信息，需借助于感覺器官。而單靠人類自身的感覺器官，在研究自然現象和規律時或者在生產活動中，它們的功能還遠遠不夠。為適應這種情況，需要借助傳感器。因此可以說，傳感器是人類五官的延長，相當于人的感官。

傳感器將非電量信號轉變成電信號，這樣就能滿足信號的傳輸、處理、儲存、顯示、記錄和控制等要求。傳感器早已滲透到諸如工業生產、海洋探測、環境保護、資源調查、醫學診斷、生物工程，甚至文物保護等等極其廣泛的領域。從茫茫太空到浩瀚的海洋，以至各種復雜的工程系統，幾乎每一個現代化項目，都離不開各種各樣的傳感器。

1 傳感器的種類

傳感器分類多種多樣，根據輸入物理量可分為：位移傳感器、壓力傳感器、速度傳感器、溫度傳感器等；根據換能器原理可分為：電阻式、電感式、電容式及電勢式等；根據輸出信號的性質可分為：模擬式傳感器和數字式傳感器。即模擬式傳感器輸出模擬信號，數字式傳感器輸出數字信號；根據能量轉換方式可分為：有源傳感器和無源傳感器。有源傳感器將非電量轉換為電能量，如電動勢、電荷式傳感器等；無源程序傳感器不起能量轉換作用，只是將被測非電量轉換為電參數的量，如電阻式、電感式及電容光煥發式傳感器等。

2 DNA傳感器工作原理

DNA傳感器稱為基因傳感器，屬于生物傳感器的一種。DNA生物傳感器是一種能將目標DNA的存在轉變為可檢測電信號的傳感裝置。它由兩部分組成：一部分是識別元件，即DNA探針；另一部分是換能器，如圖1所示。識別元件主要用來感知樣品中是否含有待測的目標DNA；換能器則將識別元件感知的信號轉化為可以觀察記錄的信號（如電流大小、頻率變化、熒光和化學發光強度以及光吸收程度等）。通常，在換能器上固化一條單鏈DNA，通過DNA分子雜交，對另一條含有互補序列的DNA進行識別（堿基互補配對原則），形成穩定的雙鏈DNA，通過聲、光、電信號的轉換，對目標DNA進行檢測。

圖1 DNA傳感器的組成

DNA傳感器是一類特殊的傳感器，是在生物、化學、物理、醫學、電子技術等多種學科互相滲透的基礎上成長起來的。它特異性強，DNA分子雙鏈之間具有非常高的特異性識別能力；分析速度快，可以在1分鐘內得到結果；準確度高，誤差極小；操作系統比較簡單，容易實現自動分析；成本低，在連續使用時，測定價格低廉。具有高度自動化、微型化與集成化的特點。

DNA傳感器延伸感官的原理是通過固定在傳感器或稱換能器探頭表面上的已知核苷酸序列的單鏈DNA分子（也稱為ssDNA探針）和另一條互補的ss－DNA分子（也稱為目標DNA）雜交，形成的雙鏈DNA會表現出一定的物理信號，最后由換能器反應出來。DNA傳感器原理圖如圖2所示。

圖2 DNA傳感器原理圖

以DNA電化學傳感器檢測基因損傷為例，詳細說明它的工作原理。因為DNA堿基互補具有選擇性和特異性，所以通常把需要檢測的DNA（目標DNA）的互補鏈作為探針。當探針與目標DNA堿基互補配對成功時，通過DNA鏈的電流會發生相應的改變。電信號出現變化，表明已經互相吻合了。從另一個角度講，如果電信號未發生變化，也暗示著這段DNA可能存在損傷。

生物敏感材料的固定化技術是基因傳感器研究的重要一環，也是制備生物傳感器的關鍵。這項技術決定了傳感器的功能、性能和質量。與傳感器的靈敏度、線性范圍、穩定性及使用壽命有關。現固定DNA探針的技術主要有共價鍵結合法、自組裝膜法、電集合法、表面富集法。

共價鍵結合法是通過共價鍵使生物活性分子與電極表面結合而進行固定的方法。固定電極之前首先要對電極進行活化預處理，再引入活性鍵合基團（如氨基、羧基等），然后進行表面的共價鍵合，把含預定功能團的探針分子固定到電極表面。

自組裝膜法一般利用一段帶巰基的DNA片段，在金電極表面形成自組裝單分子膜來固定核酸探針。

3 DNA傳感器的應用

隨著分子生物學的發展，人們逐漸意識到除外傷以外，包括傳染性疾病、遺傳性疾病及惡性腫瘤等所有的疾病都與基因有關系，因此應用在基因檢測方面的DNA傳感器就顯得十分重要。

比如，乙型肝炎是乙肝病毒（HBV）所引起的一種傳播快、潛伏期長、危害廣的傳染病，我國慢性無癥狀HBV感染者或慢性無癥狀HBV攜帶者已超過1.2億，是HBV感染者中存在數量最大的群體。如果采用上面介紹過的自組裝單分子膜技術，將巰己基修飾的探針的單鏈DNA探針固定在金電極表面，制得DNA電化學傳感器，以某種電活性物質為指示劑，就可以獲得特異性好、靈敏度高、響應時間短的DNA傳感器。它對血清樣品中乙肝病毒DNA的響應則更理想。換句話說，DNA傳感器能幫助人們正確、快速、高質量地檢測出受試者體內是否已經感染慢性無癥狀HBV或者已經攜帶這種病毒。

生物傳感器在近幾十年發展迅速，尤其分子生物學與微電子學、光電子學、微細加工技術及納米技術等新學科、新技術結合后，這種發展正在加速進行，并在國民經濟的各個部門，如食品、制藥、化工、臨床檢驗、生物醫學、環境監測等領域顯露出廣泛的應用前景。

比如，葡萄糖的含量是衡量水果成熟度和貯藏壽命的一個重要指標，已開發的生物傳感器可用來分析白酒、蘋果汁、果醬和蜂蜜中的葡萄糖。食品工業中對食品鮮度尤其是魚類、肉類的鮮度檢測是評價食品質量的一個主要指標。目前，已開發出測定魚降解過程中產生的肌苷一磷酸等物質的濃度，進而評價魚鮮度的傳感器。

近年來，環境污染問題日益嚴重，人們迫切希望擁有一種能對污染物進行連續、快速、在線監測的儀器，生物傳感器能夠滿足此類要求。目前，已有相當部分的生物傳感器應用于水環境監測、大氣環境監測等領域。

軍事醫學中，對生物毒素的及時快速檢測是防御生物武器的有效措施。生物傳感器已應用于監測多種細菌、病毒及其毒素，如炭疽芽胞桿菌、鼠疫耶爾森菌、埃博拉出血熱病毒、肉毒桿菌類毒素等。

此外，在法醫學中，生物傳感器可用作DNA鑒定和親子認證等。

4 DNA傳感器未來發展趨勢

目前，傳感器的研究尚需在穩定性、可靠性方面尋求新的突破。只有打造更加穩定可靠的生物傳感器，才能大幅拓展在臨床檢驗方面的應用。

另外，傳感器還將朝著微型化、集成化方向發展。隨著微加工技術和納米技術的進步，生物傳感器將不斷的微型化，各種便攜式生物傳感器的出現使人們在家中進行疾病診斷、在市場上直接檢測食品成為可能。而且，未來的生物傳感器必定與計算機緊密結合，自動采集數據、處理數據，更科學、更準確地提供結果，實現采樣、進樣、結果一條龍，形成檢測的系統。隨著這兩個方向研究的不斷深入，產品成本的逐漸下降，在實驗室展現巨大應用前景的生物傳感器，也將會“飛入尋常百姓家”。

還應該看到，生物傳感器的研究本質上依仗的是生物學、電子學、材料學的不斷進步。尤其新材料技術是人們研究必須密切關注的領域，它能促成生物傳感器極大的飛躍。

劉仲明，廣州軍區廣州總醫院高級工程師、技術顧問，多年來一直從事生物傳感器的研究工作。曾獲全國科學大會獎1項、國家發明三等獎1項、軍隊科技進步二等獎2項、廣東省科技進步二等獎1項。1978年出席了全國科學大會，并被評為全國科技先進工作者，受到黨和國家領導人的接見。榮立二等功、三等功各1次。1993年10月起享受國務院政府特殊津貼。

（本文根據劉仲明高級工程師的講座錄音整理）

DNA Sensor Technology Overcomes Human Limitations

Liu Zhongming
（Guangzhou General Hospital of Guangzhou Military Area Command）

DNA passes on the hereditary material to each daughter cell and may be as biosensors for detecting gene injuries and errors, and used for diagnose and treat more than one illness. The paper discusses DNA sensor, its use and development.

Sensor; DNA; Gene