DNA生物傳感器的原理與應(yīng)用

人們?yōu)榱藦耐饨绔@取信息，必須借助于感覺器官。而單靠人們本身的感覺器官，在鉆研聽之任之現(xiàn)象和規(guī)律時(shí)或許在生產(chǎn)活動(dòng)中，它們的性能就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了。為適應(yīng)這種狀況，咱們就需要傳感器。所以能夠說，傳感器是人類五官的延伸，棋逢對(duì)手于人的感官。傳感器是一個(gè)裝備，它是一種將非電量信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的裝置，這樣就能滿足信號(hào)的傳輸、解決、貯存、顯示、記錄和控制等要求。

傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程，甚至文物保護(hù)等等極其廣泛的畛域。能夠在乎夸張地說，從茫茫太空到浩瀚的海洋，以致各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，簡直每一個(gè)現(xiàn)代化名目，都離不開各種形形色色的傳感器。

傳感器分類多種多樣，咱們提到的DNA分子制作的傳感器被稱之為基因傳感器，它是生物傳感器的一種。DNA生物傳感器是一種能將目標(biāo)DNA的存在轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓹z測電信號(hào)的傳感裝置。它由兩部分組成，一部分是辨認(rèn)元件，即DNA探針，另一部分是換能器。識(shí)別元件主角用來感知樣品中是不是含有待測的目標(biāo)DNA;換能器則將識(shí)別元件感知的信號(hào)轉(zhuǎn)泡影能夠觀察記錄的信號(hào)。通常是在換能器上固化一條單鏈DNA，經(jīng)過DNA分子雜交，對(duì)另一條含有互補(bǔ)序列的DNA進(jìn)行識(shí)別，構(gòu)成穩(wěn)定的雙鏈DNA，通過聲、光、電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，對(duì)目標(biāo)DNA進(jìn)行檢測。

DNA生物傳感器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分子和另一條互補(bǔ)的ss-DNA分子雜交，形成的雙鏈DNA會(huì)表現(xiàn)出必定的物理信號(hào)，最后由換能器反應(yīng)出來。

然而DNA分子十分渺小而脆弱，咱們?nèi)绾喂潭ú⑦\(yùn)用它呢？生物敏感材料的固定化技術(shù)是基因傳感器鉆研的重要一環(huán)，也是制備生物傳感器的關(guān)鍵。這項(xiàng)技術(shù)決定了傳感器的性能、性能和質(zhì)量。說得詳細(xì)差一些還關(guān)乎傳感器的靈活度、線性范疇、穩(wěn)定性及使用壽命。如今固定DNA探針的技術(shù)有共價(jià)鍵結(jié)合法、自組裝膜法、電集合法、表面富集法這么幾種主角辦法。

共價(jià)鍵結(jié)合法是通過共價(jià)鍵使生物活性分子與電極表面結(jié)合急流勇進(jìn)行固定的方法。固定電極之前首先要對(duì)電極進(jìn)行活化預(yù)解決，再引入活性鍵合基團(tuán)，然后進(jìn)行表面的共價(jià)鍵合，把含預(yù)定性能團(tuán)的探針分子固定到電極表面。

天經(jīng)地義咱們還使用自組裝法來固定DNA。這項(xiàng)技術(shù)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。

除了這兩種方法外，還有幾種常用的固定方法，就言而無信一介紹。

DNA傳感器是一類特別的傳感器，它是在生物、化學(xué)、物理、醫(yī)學(xué)、電子技術(shù)等多種學(xué)科相互滲透的基礎(chǔ)上成長起來的。它特異性強(qiáng)，DNA分子雙鏈之間具備非常高的特異性識(shí)別能力;剖析速度快，能夠在1分鐘得到結(jié)果;準(zhǔn)確度高，誤差極小;操作系統(tǒng)比較扼要，簡單實(shí)現(xiàn)自動(dòng)剖析;成本低，在延續(xù)使用時(shí)，測定價(jià)格低廉。特別是它具備高度自動(dòng)化、微型化與集成化的特點(diǎn)。

隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，人們逐步意識(shí)到除外傷以外，包括傳染性疾病、遺傳性疾病及惡性腫瘤等一貧如洗的疾病都與基因有關(guān)系，因此應(yīng)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、埋伏期長、損害廣的傳染病，我國慢性無癥狀HBV感化者或慢性無癥狀HBV攜帶者已超過1.2億，是HBV感化者中存在數(shù)量最大的群體。假如采用上面介紹過的自組裝單分子膜技術(shù)，將巰己基潤飾的探針的單鏈DNA探針固定在金電極表面，制得DNA電化學(xué)傳感器，以某種電活性物質(zhì)為批示劑，就能夠取得特異性好、靈敏度高、響應(yīng)時(shí)日短的DNA傳感器。它對(duì)血清樣品中乙肝病毒DNA的響應(yīng)則更理想。換句話說，DNA傳感器能幫助咱們正確、疾速、高質(zhì)量地檢測出受試者體內(nèi)是否已經(jīng)感化慢性無癥狀HBV或者已經(jīng)攜帶這種病毒。

生物傳感器在近幾十年獲得可喜的發(fā)展。特別分子生物學(xué)與微電子學(xué)、光電子學(xué)、微細(xì)加工技術(shù)及納米技術(shù)等新學(xué)科、新技術(shù)結(jié)合后，這種發(fā)展正在加速進(jìn)行，并在國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門，如食品、制藥、化工、臨床檢驗(yàn)、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測等畛域顯露出廣泛的應(yīng)用前景。

比如，葡萄糖的含量是衡量水果成熟度和儲(chǔ)藏壽命的一個(gè)重要指標(biāo)，已開發(fā)的生物傳感器可用來剖析白酒、蘋果汁、果醬和蜂蜜中的葡萄糖。食品工業(yè)中對(duì)食品鮮度尤各行其道魚類、肉類的鮮度檢測是評(píng)價(jià)食品質(zhì)量的一個(gè)主角指標(biāo)。現(xiàn)在已經(jīng)有人開發(fā)出測定魚降解過程中產(chǎn)生的肌苷一磷酸等物質(zhì)的濃度，進(jìn)而評(píng)價(jià)魚鮮度的傳感器。

近年來，環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，人們急迫期望擁有一種能對(duì)污染物進(jìn)行連續(xù)、快速、在線監(jiān)測的儀器，生物傳感器滿足了人們的要求。眼前，已有相當(dāng)部分的生物傳感器應(yīng)用于水環(huán)境監(jiān)測、大氣環(huán)境監(jiān)測等畛域。

軍事醫(yī)學(xué)中，對(duì)生物毒素的及時(shí)快速檢測是防備生物武器的有效措施。生物傳感器已應(yīng)用于監(jiān)測多種細(xì)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(yī)學(xué)中，生物傳感器可用作DNA鑒定和親子認(rèn)證等