DNA傳感器突破人類感知極限

劉仲明

（廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院）

DNA傳感器突破人類感知極限

劉仲明

（廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院）

承載著生命遺傳物質(zhì)的DNA分子，可作為檢測(cè)基因損傷和錯(cuò)誤的生物傳感器，也可被用來(lái)診斷、治療多種疾病。主要論述了DNA傳感器工作原理、應(yīng)用及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

傳感器；DNA；基因

0 引言

人們?yōu)榱藦耐饨绔@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(xiàn)象和規(guī)律時(shí)或者在生產(chǎn)活動(dòng)中，它們的功能還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。為適應(yīng)這種情況，需要借助傳感器。因此可以說(shuō)，傳感器是人類五官的延長(zhǎng)，相當(dāng)于人的感官。

傳感器將非電量信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，這樣就能滿足信號(hào)的傳輸、處理、儲(chǔ)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)、海洋探測(cè)、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)等等極其廣泛的領(lǐng)域。從茫茫太空到浩瀚的海洋，以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個(gè)現(xiàn)代化項(xiàng)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(jù)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(jù)換能器原理可分為：電阻式、電感式、電容式及電勢(shì)式等；根據(jù)輸出信號(hào)的性質(zhì)可分為：模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器。即模擬式傳感器輸出模擬信號(hào)，數(shù)字式傳感器輸出數(shù)字信號(hào)；根據(jù)能量轉(zhuǎn)換方式可分為：有源傳感器和無(wú)源傳感器。有源傳感器將非電量轉(zhuǎn)換為電能量，如電動(dòng)勢(shì)、電荷式傳感器等；無(wú)源程序傳感器不起能量轉(zhuǎn)換作用，只是將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為電參數(shù)的量，如電阻式、電感式及電容光煥發(fā)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(biāo)DNA的存在轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓹z測(cè)電信號(hào)的傳感裝置。它由兩部分組成：一部分是識(shí)別元件，即DNA探針；另一部分是換能器，如圖1所示。識(shí)別元件主要用來(lái)感知樣品中是否含有待測(cè)的目標(biāo)DNA；換能器則將識(shí)別元件感知的信號(hào)轉(zhuǎn)化為可以觀察記錄的信號(hào)（如電流大小、頻率變化、熒光和化學(xué)發(fā)光強(qiáng)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(guò)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（堿基互補(bǔ)配對(duì)原則），形成穩(wěn)定的雙鏈DNA，通過(guò)聲、光、電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，對(duì)目標(biāo)DNA進(jìn)行檢測(cè)。

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(xué)、物理、醫(yī)學(xué)、電子技術(shù)等多種學(xué)科互相滲透的基礎(chǔ)上成長(zhǎng)起來(lái)的。它特異性強(qiáng)，DNA分子雙鏈之間具有非常高的特異性識(shí)別能力；分析速度快，可以在1分鐘內(nèi)得到結(jié)果；準(zhǔn)確度高，誤差極小；操作系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分析；成本低，在連續(xù)使用時(shí)，測(cè)定價(jià)格低廉。具有高度自動(dòng)化、微型化與集成化的特點(diǎn)。

DNA傳感器延伸感官的原理是通過(guò)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(bǔ)的ss－DNA分子（也稱為目標(biāo)DNA）雜交，形成的雙鏈DNA會(huì)表現(xiàn)出一定的物理信號(hào)，最后由換能器反應(yīng)出來(lái)。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(xué)傳感器檢測(cè)基因損傷為例，詳細(xì)說(shuō)明它的工作原理。因?yàn)镈NA堿基互補(bǔ)具有選擇性和特異性，所以通常把需要檢測(cè)的DNA（目標(biāo)DNA）的互補(bǔ)鏈作為探針。當(dāng)探針與目標(biāo)DNA堿基互補(bǔ)配對(duì)成功時(shí)，通過(guò)DNA鏈的電流會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變。電信號(hào)出現(xiàn)變化，表明已經(jīng)互相吻合了。從另一個(gè)角度講，如果電信號(hào)未發(fā)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(shù)是基因傳感器研究的重要一環(huán)，也是制備生物傳感器的關(guān)鍵。這項(xiàng)技術(shù)決定了傳感器的功能、性能和質(zhì)量。與傳感器的靈敏度、線性范圍、穩(wěn)定性及使用壽命有關(guān)?，F(xiàn)固定DNA探針的技術(shù)主要有共價(jià)鍵結(jié)合法、自組裝膜法、電集合法、表面富集法。

共價(jià)鍵結(jié)合法是通過(guò)共價(jià)鍵使生物活性分子與電極表面結(jié)合而進(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)處理，再引入活性鍵合基團(tuán)（如氨基、羧基等），然后進(jìn)行表面的共價(jià)鍵合，把含預(yù)定功能團(tuán)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(lái)固定核酸探針。

3 DNA傳感器的應(yīng)用

隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，人們逐漸意識(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所有的疾病都與基因有關(guān)系，因此應(yīng)用在基因檢測(cè)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(zhǎng)、危害廣的傳染病，我國(guó)慢性無(wú)癥狀HBV感染者或慢性無(wú)癥狀HBV攜帶者已超過(guò)1.2億，是HBV感染者中存在數(shù)量最大的群體。如果采用上面介紹過(guò)的自組裝單分子膜技術(shù)，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(xué)傳感器，以某種電活性物質(zhì)為指示劑，就可以獲得特異性好、靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短的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(shuō)，DNA傳感器能幫助人們正確、快速、高質(zhì)量地檢測(cè)出受試者體內(nèi)是否已經(jīng)感染慢性無(wú)癥狀HBV或者已經(jīng)攜帶這種病毒。

生物傳感器在近幾十年發(fā)展迅速，尤其分子生物學(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(guó)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(cè)等領(lǐng)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貯藏壽命的一個(gè)重要指標(biāo)，已開發(fā)的生物傳感器可用來(lái)分析白酒、蘋果汁、果醬和蜂蜜中的葡萄糖。食品工業(yè)中對(duì)食品鮮度尤其是魚類、肉類的鮮度檢測(cè)是評(píng)價(jià)食品質(zhì)量的一個(gè)主要指標(biāo)。目前，已開發(fā)出測(cè)定魚降解過(guò)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(lái)，環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，人們迫切希望擁有一種能對(duì)污染物進(jìn)行連續(xù)、快速、在線監(jiān)測(cè)的儀器，生物傳感器能夠滿足此類要求。目前，已有相當(dāng)部分的生物傳感器應(yīng)用于水環(huán)境監(jiān)測(cè)、大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。

軍事醫(yī)學(xué)中，對(duì)生物毒素的及時(shí)快速檢測(cè)是防御生物武器的有效措施。生物傳感器已應(yīng)用于監(jiān)測(cè)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。

4 DNA傳感器未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

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

另外，傳感器還將朝著微型化、集成化方向發(fā)展。隨著微加工技術(shù)和納米技術(shù)的進(jìn)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(xiàn)使人們?cè)诩抑羞M(jìn)行疾病診斷、在市場(chǎng)上直接檢測(cè)食品成為可能。而且，未來(lái)的生物傳感器必定與計(jì)算機(jī)緊密結(jié)合，自動(dòng)采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)，更科學(xué)、更準(zhǔn)確地提供結(jié)果，實(shí)現(xiàn)采樣、進(jìn)樣、結(jié)果一條龍，形成檢測(cè)的系統(tǒng)。隨著這兩個(gè)方向研究的不斷深入，產(chǎn)品成本的逐漸下降，在實(shí)驗(yàn)室展現(xiàn)巨大應(yīng)用前景的生物傳感器，也將會(huì)“飛入尋常百姓家”。

還應(yīng)該看到，生物傳感器的研究本質(zhì)上依仗的是生物學(xué)、電子學(xué)、材料學(xué)的不斷進(jìn)步。尤其新材料技術(shù)是人們研究必須密切關(guān)注的領(lǐng)域，它能促成生物傳感器極大的飛躍。

劉仲明，廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院高級(jí)工程師、技術(shù)顧問，多年來(lái)一直從事生物傳感器的研究工作。曾獲全國(guó)科學(xué)大會(huì)獎(jiǎng)1項(xiàng)、國(guó)家發(fā)明三等獎(jiǎng)1項(xiàng)、軍隊(duì)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)2項(xiàng)、廣東省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。1978年出席了全國(guó)科學(xué)大會(huì)，并被評(píng)為全國(guó)科技先進(jìn)工作者，受到黨和國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人的接見。榮立二等功、三等功各1次。1993年10月起享受國(guó)務(wù)院政府特殊津貼。

（本文根據(jù)劉仲明高級(jí)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