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生物傳感器應用廣泛

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摘要:生物傳感器應用廣泛
傳感器早已滲透到諸如工業生產、宇宙開發、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。可以毫不誇張地說,從茫茫太空到浩瀚的海洋,以至各種複雜的工程係統,幾乎每一個現代化項目,都離不開各種各樣的傳感器。

記者:傳感器分類多種多樣,我們提到的DNA分子製作的傳感器是哪一種?

劉仲明:這種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。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)。通常是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。

記者:它是如何為我們延伸感官的呢?

劉仲明:其原理是通過固定在傳感器或稱換能器探頭表麵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,最後由換能器反應出來。

下麵我以DNA電化學傳感器檢測基因損傷為例,為大家詳細解說一下它的工作原理。DNA堿基互補具有選擇性和特異性,所以我們常把需要檢測的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,這種變化就提示我們兩者已經互相吻合了。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。

說得再通俗一點,這就像把一堆銅幣堆在一起,恰當對準的話它們就能導電。如果這堆硬幣中一個出了差錯或放得不好,導電性就會下降。如果是堿基對搭配不當,或出現了可能致癌的損傷,線路就會被打亂,電流就不能暢通。

這就如同用一把鑰匙開一把鎖,如果鑰匙與鎖的缺口形狀無法吻合,我們就知道它們二者是不匹配的,鎖可能出現了問題。如果它們形狀吻合,則可依鑰匙上的標簽判斷出鎖的屬性。

靈敏快速準確非常適合醫學檢測

記者:DNA分子非常微小而脆弱,我們如何固定並使用它呢?

劉仲明:你說的這個問題很重要,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,也是製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。說得具體一點還關乎傳感器的靈敏度、線性範圍、穩定性及使用壽命。現在固定DNA探針的技術有共價鍵結合法、自組裝膜法、電集合法、表麵富集法這麽幾種主要方法。

共價鍵結合法是通過共價鍵使生物活性分子與電極表麵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),然後進行表麵的共價鍵合,把含預定功能團的探針分子固定到電極表麵。

當然我們還使用自組裝法來固定DNA。這項技術一般利用一段帶巰基的DNA片段,在金電極表麵形成自組裝單分子膜來固定核酸探針。

其他還有幾種常用的方法,我在這裏就不一一介紹了。

記者:DNA傳感器作為生物傳感器的一種,它有哪些與眾不同的特點?

劉仲明:DNA傳感器是一類特殊的傳感器,它是在生物、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分鍾得到結果;準確度高,誤差極小;操作係統比較簡單,容易實現自動分析;成本低,在連續使用時,測定價格低廉。特別是它具有高度自動化、微型化與集成化的特點。

記者:與其他領域相比,DNA傳感器在臨床醫學上的應用離我們更近,也更為大家所關注,您能具體談一下這方麵的應用嗎?

劉仲明: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係,因此應用在基因檢測方麵的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,我國慢性無症狀HBV感染者或慢性無症狀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。如果采用上麵我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麵,製得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傳感器能幫助我們正確、快速、高質量地檢測出受試者體內是否已經感染慢性無症狀 HBV或者已經攜帶這種病毒。

眾多行業都需要應用前景十分廣闊

記者:除了臨床醫學外,生物傳感器還有哪些應用領域?

劉仲明:生物傳感器在近幾十年獲得可喜的發展。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、新技術結合後,這種發展正在加速進行,並在國民經濟的各個部門,如食品、製藥、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。現在已經有人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,環境汙染問題日益嚴重,人們迫切希望擁有一種能對汙染物進行連續、快速、在線監測的儀器,生物傳感器滿足了人們的要求。目前,已有相當部分的生物傳感器應用於水環境監測、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禦生物武器的有效措施。生物傳感器已應用於監測多種細菌、病毒及其毒素,如炭疽芽胞杆菌、鼠疫耶爾森菌、埃博拉出血熱病毒、肉毒杆菌類毒素等。

此外,在法醫學中,生物傳感器可用作DNA鑒定和親子認證等。

記者:您覺得這項研究領域未來的發展方向是什麽?

劉仲明:現在來說,傳感器的研究需要在穩定性、可靠性方麵尋求新的突破。隻有打造更加穩定可靠的生物傳感器,臨床檢驗方麵應用才會得到大幅度的拓展。

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,形成檢測的自動化係統。隨著這兩個方向研究的不斷深入,產品成本的逐漸下降,曾經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”。
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