適用于紫外輻射劑量測定的生物傳感器

文/Andreas Bermpohl等人

生物傳感器解決了檢測紫外線絕對劑量的難題 // 但怎樣檢測紫外線照射的絕對劑量值呢？很長時間以來這也是檢測分析技術(shù)一直無法逾越的障礙。最新研發(fā)的、基于人工合成DNA技術(shù)的生物傳感器將能幫助您解決這一難題。

紫外線會導(dǎo)致長期暴露在外的人體出現(xiàn)紅斑（曬傷）和結(jié)膜炎。近幾十年來，人們已經(jīng)知道短波紫外線對人體有著強烈的損傷作用，因此在生物化學(xué)層面上也對損傷產(chǎn)生的各種機理進(jìn)行了討論。最終得出的結(jié)論是：可能導(dǎo)致細(xì)胞分裂失控、失去接觸抑制并因此而導(dǎo)致癌變。另一方面，短波紫外線對人類健康的積極作用也是眾所周知的。沒有這部分短波陽光人類就無法產(chǎn)生促進(jìn)骨骼生長、發(fā)育所必須的維生素D。

另外，紫外線也與我們的心理健康有著密切的關(guān)系。紫外線有可能消除人體的炎癥、從而促進(jìn)患病機體的康復(fù)嗎？1988年時Hengst等人的研究成果就已經(jīng)表明：患有眼前房炎癥（葡萄膜炎）患者在受到紫外線照射后會明顯降低可的松的療效。瑞士名醫(yī)Paracelsus先生對紫外線這種完全相反的作用做了如下總結(jié)：關(guān)鍵在于劑量！而劑量恰恰是我們每天接觸陽光時遇到的一大問題。因為要確定有益于健康和有害于健康的比例是一件非常困難的事情。

圖1 來自太陽光的紫外線輻射導(dǎo)致胸腺嘧啶二聚體進(jìn)入到DNA中。

用于紫外線照射檢測的人工合成DNA

紫外線照射會導(dǎo)致遺傳物質(zhì)DNA的損傷。其中包括了腺苷酸，鳥苷酸，胞苷酸和胸腺核苷酸四個核酸的編碼部分。不論是人類、細(xì)菌、植物還是病毒，這四個核酸都是構(gòu)成生命和有機體的基本核酸序列，是所有生物的生命之源。波長254納米的電磁波（紫外線波長的一部分）會導(dǎo)致胸腺嘧啶二聚體進(jìn)入到DNA中。在兩個胸腺核苷酸偶然相接觸時，紫外線照射會在兩個相互接觸的堿基（熱點）處形成環(huán)丁烷環(huán)（參見圖1）。

這種紫外線誘導(dǎo)反應(yīng)在兩個誘導(dǎo)循環(huán)周期之后的結(jié)果就是：基因突變，遺傳性基因發(fā)生了改變，并且顯性表現(xiàn)出來。除了這些常見的變化之外，還會在DNA水平中觀察到其他罕見的紫外線照射的影響（例如：GC 6.4產(chǎn)物）。

在認(rèn)識到核酸可能出現(xiàn)的反應(yīng)之后，人們就有了人工合成DNA的想法，人工合成一種在紫外線照射檢測時含有大量相鄰胸腺核苷酸的DNA分子。當(dāng)紫外線照射了這些分子時，就會發(fā)生與照射劑量有關(guān)的環(huán)丁烷環(huán)。由此而測得的胸腺嘧啶二聚體量能夠準(zhǔn)確的反應(yīng)紫外線照射劑量值。作為量化工具，可以使用qPCR定量聚合酶鏈反應(yīng)法。在這種方法中，對DNA序列片段進(jìn)行酶促擴(kuò)增，在熒光劑的幫助下對初始DNA量（模板DNA）的傳播動力學(xué)情況進(jìn)行觀察。在酶的分解作用下會中止胸腺嘧啶二聚體的增殖。這就可以在反應(yīng)結(jié)束時得出所得的胸腺嘧啶二聚體的數(shù)量與減少的DNA分子擴(kuò)增量之間的相關(guān)性。當(dāng)qPCR定量聚合酶鏈反應(yīng)的同時還有對紫外線照射不敏感的DNA分子也參與了反應(yīng)，則會得到兩個相當(dāng)可靠的參考值。在qPCR定量聚合酶鏈反應(yīng)法中用確定的紫外線劑量來照射DNA分子，并最終確定出相應(yīng)的擴(kuò)張量后，可以直接利用校準(zhǔn)曲線來確定紫外線照射劑量。這種方法可以實現(xiàn)紫外線照射劑量的絕對值檢測。為了獲取大量的生物分子，需要克隆大量的多拷貝質(zhì)粒，從大腸桿菌中大量克隆出來、分離、提純，并按照規(guī)定的濃度等分的用于試驗。

圖2 DNA基紫外線傳感器的校準(zhǔn)線。隨著劑量的增加qPCR的擴(kuò)增量減少（每個檢測點n=3）。

圖3 基于DNA的UV紫外線傳感器的原型（靜態(tài)生物傳感器）。

準(zhǔn)確的測定紫外線劑量值的生物傳感器

用紫外線照射生物分子，利用Heraeus公司研發(fā)生產(chǎn)的檢測儀準(zhǔn)確的記錄下紫外線的照射劑量。按照qPCR定量聚合酶鏈反應(yīng)法在0～1250Wsek/m2的范圍內(nèi)測量三個基本呈線性趨勢的檢測點。測定UVC短波紫外線劑量時，可以將生物分子置于硝化纖維表面、石英玻璃板、薄黃銅板和外部有橡膠涂層的支撐物中（參見圖3）。這就允許生物傳感器進(jìn)行探測、進(jìn)行個人劑量學(xué)檢測或者進(jìn)行UVC短波紫外線的劑量檢測了。通過將檢測數(shù)據(jù)反饋到實驗室并進(jìn)行qPCR定量聚合酶鏈反應(yīng)的數(shù)據(jù)評估，可以在很短的時間內(nèi)確定實際的UVC短波紫外線劑量了。直到數(shù)據(jù)分析時生物傳感器的最短使用期限為3個月。生物傳感器也可以呈霧化狀態(tài)使用，并在紫外線分析系統(tǒng)的通道中獲取分子，然后通過qPCR分析提供準(zhǔn)確的照射劑量值。這也就使紫外線消毒設(shè)備的生產(chǎn)廠家第一次能夠選擇實際需要的紫外線照射劑量了。另外，也可以在一天時間內(nèi)完成空氣消毒系統(tǒng)的所有參數(shù)優(yōu)化了。

（在線所示的）圖6首次顯示了UV消毒系統(tǒng)的鏡像效果。雖然過去只是推測有這種可能，但在使用生物傳感器之后就可以真實的看到實際UV紫外線劑量通過鏡像而得到了明顯的提高。像空氣流量、風(fēng)扇類型和鏡像等也都可以在一天的時間內(nèi)完成優(yōu)化了。

本項目由聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)和技術(shù)部資助。

LP本刊提示

生物傳感器原理

波長254納米的電磁波（紫外線波長的一部分）會導(dǎo)致胸腺嘧啶二聚體進(jìn)入到DNA中。在兩個胸腺核苷酸偶然相接觸時，紫外線照射會在兩個相互接觸的堿基（熱點）處形成環(huán)丁烷環(huán)。本文介紹的生物傳感器基于含有大量相鄰胸腺嘧啶的人工合成DNA分子。當(dāng)這些分子受到紫外線照射時，就會出現(xiàn)與照射劑量有關(guān)的環(huán)丁烷環(huán)。因此，胸腺嘧啶二聚體的量就提供了確定紫外線劑量的可能性。qPCR定量聚合酶鏈反應(yīng)法就是確定紫外線劑量的量化工具。