DNA的分析对临床医学和遗传工程的研究具有深远的意义和应用价值，已逐渐成为分子生物学,生物技术和临床医学研究的重要领域.其中电化学DNA传感器依靠生物体内物质间特有的亲合力快速、直接获取复杂体系组成信息，具有选择性好、种类多、测试费用低及适合联机化的优点，又有电分析化学的不破坏测试体系、不受颜影响和简便的特点，能广泛应用于医疗、工业生产、环境监测等领域，已倍受青睐.
电化学DNA传感器的种类很多,具体和类型的优缺点如下表所示:
最早的电化学DNA传感器是利用DNA的直接电化学检测的,但由于碱基(G,C)氧化过电位比较大,很难实用.后来多利用间接的方法来实现DNA的电化学检测,基本原理如图1所示，即根据杂交前后杂交指示剂嵌入的量不同，进而产生与分析物浓度相关的电化学信号，实现目标物的检测.
图1 电化学DNA 传感器结构示意图
接着为了提高灵敏度与选择性，很多研究者利用酶及纳米粒子,量子点的放大效应，来满足低浓度的检测,如图2所示,就是利用典型的构建DNA传感器的”三明治结构”与纳米Pt的高效电化学催化性质来实现DNA的低浓度检测.
Kurt V. Gothelf 等就利用了PdS,CdS与ZnS量子点实现了DNA的fM级检测,如图3所示: 首先
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图3.C1,2,3:capture DNA; r1,2,3:report DNA ;B: C1,2,3都存在; D: 仅C3@Au
WE:汞膜玻碳电极(同为镀汞);RE:Ag/AgCl; CE: Pt
在金基底上自组装5-SH- C1,2,3并用MCH来惰化活性位点,接着与固载了5-SH-r1,2,3的PdS,CdS, ZnS量子点退火杂交,经彻底洗涤后, 金基底上间接固载的金属硫化物纳米颗粒用0.10M HNO3溶解下来,再利用阳极溶出伏安法(ASV)的溶出峰(如图2 B能很好的分离)来定性(电位)与定量(电流)检测这些溶解的金属离子.可以利用此装置才检测 target 3, 如图4所示:target 3与r3 有20bases互补,而C3与r3 只有15bases互补,故可利用前者杂交结合力的竞争优势(将已与C3杂交的PbS竞争下来脱离金基底—Pd的ASV信号降低)来实现target 3的检测. 图5就反映了target 3加入前后Pd
图4.竞争检测 DNA target 3 图5.竞争前后Pb的ASV与 nano-PdS@Au的AFM图
的ASV信号降低的情况及竞争前后金基底上相同区域PdS纳米粒子的减少情况.图6就是不同浓度的target3时,Pd与Cd的电流比值情况,显然这是属于压铸机料筒的设计”signal off”类型的电化学DNA 传感器,但是由于此方法中有一”内标—CdS”,所以可以利用Pd与内标Cd的信号比值来反应target 3的多少,进而消除了常规”signal off” 型传感器的缺点.
图6.竞争检测 不同浓度的target 3
另外Joseph Wang太阳能浴室等也利用相似的原理实现了多个DNA序列的同时检测,原理和结构如图7,8所示:
图7. 利用不同的纳米晶追踪者检测多个目标DNA 图8.SWASV of the metal traces
除了上面的利用纳米粒子的电化学来间接检测DNA外,还有一类研究较多的电化学DNA传感器就是利用被标记(如MB,FC等电活性物质)的DNA做report 序列,根据其或probe与target作用前后,电活性分子电信号的变化来反应target的量.如图9所示:target3入之前,MB-report 2 与probe 1一端杂交,使得MB离电极较远,电信号弱,当target 3加入后杂交碱基数多,占优势,1与2变解旋,使得MB 离电极很近,发生电子转移容易,电信号增加,显然这是一个” signal-on”的DNA电化学传感器,比” signal-off”型占优势,作者发现此
图9. signal-on DNA sensor 图10.不同浓度的target 3与mismatched 的伏安图
传感器不仅稳定性好,而且加入饱和浓度的5-base-mismatched target 3对测试信号没有任何影响,如图10所示.这种类型的电化学DNA传感器,设计的思路巧妙,优势也很大,现在研究的人员也较多,类型也会越来越丰富.
从上面的一些比较经典的电化学DNA传感器的构建来看,利用纳米粒子,量子点等,可以实现DNA的高灵敏度检测,利用活性物质标记的DNA也可实现低浓度及有几个碱基错配的检测, 但是实现单碱基错配的检测都不是很容易,报道也不是很多.而关于单核苷酸多态性(SNP)在DNA的检测中很重要, 人体许多表型差异、对药物或疾病的易感性等等都可能与SNP有关, 现在也普遍认为SNP研究是人类基因组计划走向应用的重要步骤,所以在电化学DNA传感器的设计中,应尝试更多新颖的思路,实现不仅灵敏度高而且选择性高的多目标物的同时分析.
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