光學DNA生物傳感器的種類及展望

王日晟

（安徽理工大學 安徽 淮南 232001）

光學DNA生物傳感器的種類及展望

王日晟

（安徽理工大學 安徽 淮南 232001）

由于光學傳感器具有非破壞性和高靈敏度的特點，從而在生物傳感器中有著廣泛的應用。而隨著對基因深入的研究和人類基因全序列的測序工作的順利完成，利用DNA為載體在生物監測方面的應用前景被十分看好。本文首先分析了光學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。通過對光學DNA生物傳感器的基本原理和種類的介紹,結合多學科交叉的特點,對DNA生物傳感器的發展前景進行了展望。

光學；DNA；生物傳感器；光纖

1 引言

生物傳感器是一種多門學科相互交叉、互相滲透成長起來的高新技術裝置，其主要涉及生物、化學、物理、數學、電子技術等多種學科。生物傳感器在國民經濟的許多方面有著廣泛的應用前景。特別是分子生物學與光電子學、微電子學、納米技術等新學科、新技術結合，正改變著傳統醫學、環境科學、動植物學等學科的面貌。對生物傳感器的研究開發，已成為國際科技發展的新熱點，成為當今新興起的高技術產業的重要組成部分，具有重要的戰略意義。

本文將重點研究光學DNA生物傳感器。因為光學傳感器具有非破壞性和高靈敏度的特點，利用這些優點的光學的方法，在生物傳感器中有著廣泛的應用。目前主要是利用光波導技術及消失波原理進行光學DNA生物傳感器的研究。光學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)級的光導纖維的末端上[1,2]，然后將若干條固定有單鏈DNA探針的光導纖維合成一束，形成一個微陣列的傳感器裝置，光纖的另一端耦合到熒光顯微鏡中，測量時將固定有DNA探針的光纖一端浸入到熒光標記的目標DNA溶液中雜交，來自熒光顯微鏡的激光通過光纖傳導，激發熒光標記物產生熒光，產生的熒光信號仍經光纖返回到熒光顯微鏡中，由CCD相機接收，獲得DNA雜交的圖譜。光纖DNA傳感器可檢測雜交后產生的特異性信號，其選擇性強，易于排除雜交過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個胸腺嘧啶的寡核苷酸（dT20），與雜交液中互補序列（dA20）雜交，能檢測 86ng/L的核酸，需時46min。每增加100μg/L cDNA，熒光強度增加83%，保存3個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傳感器是近年來發展很快的一種光學DNA生物傳感器。其換能器實際上也是利用光纖傳感器原理制作。當一束光線以適當的角度進入光纖時，它會以全反射方式在光纖中傳播，產生一種橫貫光纖的波，通過光纖與其它介質的交接處傳出光纖，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，在消失波的波導表面上，加上生物敏感膜（單鏈DNA探針）,當消失波穿過生物敏感膜時，或產生光信號，或導致消失波與光纖內傳播光線的強度、相位或頻率的改變，測量這些變化，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建方法和檢測方法，對外界條件如溶液的PH值溫度敏感膜在光纖的位置等對分析結果的影響進行了研究，同時對固定在光纖上的寡核苷酸的長度及光纖上雜交的機理進行了研究。Strachan[5]在1995年，建立了PCR與消失波光纖DNA生物傳感器的偶聯，用消失波光纖DNA生物傳感器檢測PCR的產物。Abel[5]在1996年，對消失波光纖DNA生物傳感器的再生過程進行了研究，他們發現雜交形成的雙鏈能通過加熱法或化學法解鏈，一個消失波光纖DNA生物傳感器可以重復使用數百次。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，設計了兩種生物素化的分子探針，通過生物素-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物質折射率的變化，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相接觸，經P偏振處理的光線照射進入棱鏡，在金屬-棱鏡界面形成反射。在某一角度(共振角)測定時，反射光強度最小。表面等離子體諧振對附著在金屬表面的電介質的折射率非常敏感，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均可被檢測，不同電介質其表面等離子角不同。當金屬膜表面固定的DNA單鏈探針與溶液中其相互補體結合時則會引起折射率的改變，折射率上升，從而導致諧振角改變，用光波導將折射率的變化傳輸給檢測器可進行檢測[6,7]。

它的檢測方法有兩種：一是SPR掃描，是改變入射角度，測定反射光強度與入射角的關系，如Bier[8]等，以avidin-biotin法固定DNA探針，通過比較發現在共振角處，可配對的堿基個數越多，共振信號就越強，反射光強度則越小。另一種檢測方法為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器(CCD)檢測反射光強與樣品不同部位的關系。Com等[9]研究表明，此方式可區分單雙鏈DNA，并有可能進行突變識別。采用該原理制作的DNA生物傳感器檢測出靈敏度達10fmol/mm2，響應時間小于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探針鏈進行熒光標記或與熒光物質相結合，當探針與目標物質作用時熒光信號發生變化，將識別信息轉換為可檢測的熒光信號，實現對目標物質的定性、定量檢測。熒光分析法具有用量少、選擇性好、方法簡便、靈敏度高、準確性好、可以原位、實時測定等優點。多種光學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在復雜的生物樣品中實現對互補鏈的檢測。這種檢測方法不僅用于檢測核酸、蛋白質等生物樣品，而且還可以用于細胞表抗原、細胞凋亡的檢測等各種生化分析領域。Jin研究小組[12]利用納米金顆粒同時作為DNA的載體和熒光信號分子的猝滅劑，建立了一種基于熒光共振能量轉移進行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移，建立了一種檢測溶菌酶的熒光適體傳感器[13]。Stanton等[14]利用分子信標方法以及適體與凝血酶的特異性結合，建立了一種基于熒光共振能量轉移和適體結構變化原理來檢測凝血酶的方法。當存在ATP時，ATP和適體特異結合，適體構型發生變化，帶有猝滅基團的DNA鏈被釋放出來，熒光共振能量轉移受到抑制從而使熒光信號增加[15]。Zhou等[16]利用商業化有機染料TOTO與DNA核酸適體組成的復合物對蛋白成鍵前后熒光變化的敏感，在生理條件下高選擇性和高靈敏度地檢測一種潛在的癌標記物癌蛋白PDGF-BB。Stojanovic和Landry[17]設計了一種檢測可卡因的生物傳感器。

6 光學DNA生物傳感器展望

DNA生物傳感器不僅可以識別特定堿基序列的DNA，還可以檢測DNA的損傷情況、DNA中所含蛋白質種類和數量等，而光學DNA生物傳感器分子識別能力強，可進行液相雜交檢測，在線和實時檢測，以及對活體內核酸動態進行檢測。同時，它還與目前的DNA生物芯片技術兼容，在臨床診斷、環境監測、藥物篩選等方面都有廣泛應用。如近年來，DNA生物傳感器因其簡單、快捷、準確、靈敏的特點在監測環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生物傳感器在監測環境中的病原微生物時選擇被監測對象的特異性DNA片段為探針，運用電化學或熒光指示劑，檢測DNA的雜交信號。隨著生物化學和功能高分子材料的發展，生物傳感器將會向集成化、商品化的方向發展，其在市場上將會有更很好的應用前景。

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TP212.4 【文獻標識碼】A 【文章編號】1009-5624（2018）02-0146-02

王日晟(1993-)，男，漢族，安徽淮南人，碩士研究生，DNA計算與數據處理。