電化學(xué)DNA生物傳感器及其應(yīng)用的專利技術(shù)分析

代明珠

【摘 要】本文介紹了電化學(xué)DNA生物傳感器的技術(shù)背景，闡述了電化學(xué)DNA生物傳感器在國內(nèi)外、以及國內(nèi)高校與企業(yè)之間的申請量分布情況，并對申請情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，同時(shí)對電化學(xué)DNA生物傳感器的工作原理，及其在疾病診斷、環(huán)境檢測方面的應(yīng)用分支做了介紹。

【關(guān)鍵詞】電化學(xué)DNA生物傳感器；申請量分布；疾病診斷；環(huán)境檢測

中圖分類號： TP212.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）17-0012-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.17.005

【Abstract】This article describes the electrochemical DNA biosensors，describes the distribution of applications of electrochemical DNA biosensors at home and abroad，and the distribution of applications between universities and enterprises in China，and statistical analysis of the application status，at the same time，The working principle of the sensor and its application in disease diagnosis and environmental testing are introduced in this article.

【Key words】Electrochemical DNA biosensors；Application；Disease diagnosis；Environmental

1 背景

DNA生物傳感器[1]是一種能將目標(biāo)DNA的存在轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓹z測電信號的分析測試裝置。自1962年，Clark首次提出將傳感器與生物聯(lián)用的設(shè)想，Upkike和Hicks在1967年研制成功第一個(gè)生物傳感器以來，有關(guān)DNA生物傳感器的研究內(nèi)容就逐漸豐富，不僅體現(xiàn)在傳感器性能方面逐漸優(yōu)化，而且更重要的是在其應(yīng)用方面的逐漸擴(kuò)展。到目前為止，DNA生物傳感器已引起生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、食品工程等領(lǐng)域科學(xué)家的重視。根據(jù)換能器轉(zhuǎn)化信號的原理不同，可將DNA生物傳感器分為質(zhì)量敏感性DNA生物傳感器，光學(xué)生物傳感器和電化學(xué)生物傳感器，其中電化學(xué)DNA生物傳感器是從20世紀(jì)90年代中期開始發(fā)展起來的一種新的傳感器，其又稱為生物電極，近幾年來，科學(xué)家對電化學(xué)DNA生物傳感器的研究取得了巨大進(jìn)步，研制了許多性能和種類優(yōu)良的電化學(xué)生物傳感器，使得它的分析測試成本更加低廉，檢測范圍大大拓寬，功能更加強(qiáng)大，在目前的傳感器中占據(jù)首要地位。

2 電化學(xué)DNA生物傳感器其應(yīng)用方面的專利申請分布的分析

2.1 電化學(xué)DNA生物傳感器的工作原理

電化學(xué)DNA生物傳感器[2]一般由一個(gè)固定有單鏈探針DNA片段的電極（包括金電極、玻碳電極、熱解石墨電極和碳糊電極等）和檢測用電活性雜交指示劑構(gòu)成。雜交指示劑在電化學(xué)DNA傳感器中起信號傳遞作用，是一類具有電活性的物質(zhì)，能選擇性區(qū)分單鏈DNA和雙鏈DNA。將DNA探針修飾到電極表面，由于電極上的探針DNA與溶液中的互補(bǔ)鏈（靶序列）雜交的高度序列選擇性，使得DNA修飾的電極具有極強(qiáng)的分子識別能力。DNA探針分子與靶序列雜交，在電極表面形成雙鏈DNA，從而導(dǎo)致雜交前后的電極表面結(jié)構(gòu)的改變，這種雜交前后的差異可用雜交知識劑來識別，從而達(dá)到檢測的目的。雜交指示劑必須能選擇性地與單鏈和雙鏈DNA結(jié)合，其結(jié)合方式有三種基本模式：（1）指示劑分子與DNA分子的帶負(fù)電荷的脫氧核糖-磷酸骨架支架通過靜電作用而相互結(jié)合，即靜電結(jié)合；（2）指示劑分子依靠堿基的疏水作用在溝面與DNA分子相互作用而結(jié)合，即面式結(jié)合；（3）指示劑分子依靠氫鍵、范德華力和堆積作用插入DNA分子雙螺旋的堿基對之間，即插入作用。

電化學(xué)DNA生物傳感器的工作過程為：一是DNA探針的固定；二是雜交過程；三是雜交信號的指示；四是電化學(xué)信號的檢測。探針DNA在電極表面的固定及雜交指示劑的選擇和運(yùn)用是電化學(xué)DNA生物傳感器制備步驟中的關(guān)鍵步驟，也決定了傳感器的最終性能。

2.2 電化學(xué)DNA生物傳感器應(yīng)用方面的專利申請分布的分析

我們統(tǒng)計(jì)了自2001年到2018年電化學(xué)DNA生物傳感器在應(yīng)用方面的專利申請，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)在2001-1010年的電化學(xué)DNA生物傳感器應(yīng)用的專利申請量增長比較緩慢，之后從2010年開始專利申請量開始有了飛躍性的發(fā)展，這也說明電化學(xué)DNA生物傳感器是一個(gè)新興的領(lǐng)域，在未來有著廣泛的應(yīng)用前景。而從專利申請?jiān)诟咝：推髽I(yè)方面的分布情況方面來分析，可以發(fā)現(xiàn)高校研究所申請占總申請量的77.52%，這也說明電化學(xué)傳感器屬于新興的領(lǐng)域，現(xiàn)在主要還處在研究階段，大部分還沒有進(jìn)入實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用階段，這也給它的應(yīng)用發(fā)展提供了廣闊的前景。而從高校分布方面來說，現(xiàn)在國內(nèi)申請量較高的主要是上海大學(xué)，濟(jì)南大學(xué)，中科院、以及青島大學(xué)等。生物傳感器屬于多學(xué)科和技術(shù)的交叉領(lǐng)域，近年來，得益于材料科學(xué)、生命科學(xué)和納米技術(shù)、半導(dǎo)體微加工技術(shù)、電子技術(shù)的快速發(fā)展。生物傳感器無論在基礎(chǔ)研究、還是應(yīng)用開發(fā)方面都取得了很大的進(jìn)展。尤其是在基因研究方面的應(yīng)用大概占了總申請量的三分之一，然后依次是疾病診斷和重金屬檢測方面的應(yīng)用，即其應(yīng)用主要集中在三個(gè)方面，生物科學(xué)、醫(yī)療保健、環(huán)境監(jiān)測。

2.2.1 電化學(xué)DNA生物傳感器在疾病診斷上的應(yīng)用

核酸是當(dāng)代新藥發(fā)展的首選目標(biāo)，基于許多藥物與核酸之間的可逆作用，電化學(xué)DNA生物傳感器主要用于一些DNA結(jié)合藥物的檢測以及新型藥物分子的設(shè)計(jì)方面，現(xiàn)有技術(shù)中主要通過將藥物或修飾在DNA電極上，實(shí)現(xiàn)對抗生素類藥物等的檢測[3]。癌癥的早期診斷、早期治療是提高癌癥患者生存率的關(guān)鍵。腫瘤標(biāo)志物的檢測可反映腫瘤的生物學(xué)特性，在治療、輔助診斷、判斷預(yù)后均有重要意義，目前的腫瘤標(biāo)志物的臨床間的方法很多，如酶免疫法，放射免疫法等，但其都存在著不足，如酶免疫法中酶容易失活，放射免疫法中放射性污染嚴(yán)重，電化學(xué)DNA生物傳感器由于靈敏度高，特異性好，操作簡單被廣泛引用。濟(jì)南大學(xué)目前研究了胃癌抗原，腫瘤標(biāo)記物[4]等的DNA傳感器的制備及應(yīng)用。

2.2.2 電化學(xué)DNA生物傳感器在環(huán)境檢測上的應(yīng)用

人類的吃穿住行等生產(chǎn)生活都離不開自然環(huán)境，如果生態(tài)環(huán)境遭到破壞，勢必會(huì)影響人類本身，利用電化學(xué)DNA生物傳感器可以監(jiān)測環(huán)境中的各種病原微生物，如水中的聯(lián)苯、道諾霉素和黃曲霉毒素，肼類化合物和有毒芳胺化合物，重金屬離子如汞離子、銀離子、鉛離子、鉀離子等。

重金屬離子的污染對人體具有相當(dāng)大的危害，常規(guī)的檢測重金屬離子的方法有原子發(fā)射，冷原子熒光和原子吸收光譜法等，這些檢測方法所需的儀器設(shè)備較大，必須配備有專門的儀器操作人員，而且待測樣品需要經(jīng)過繁瑣的預(yù)處理過程，成本較高，不適合于對實(shí)際環(huán)境的檢測。由于重金屬離子與兩個(gè)胸腺嘧啶堿基之間具有高度的特異性相互作用和酶催化信號放大技術(shù)，這給通過電化學(xué)DNA生物傳感器對重金屬離子進(jìn)行檢測提供了可能。如汞可選擇性地同胸腺嘧啶-胸腺嘧啶結(jié)合，形成T-Hg2+-T結(jié)構(gòu)；鉛可選擇性的同胸腺嘧啶-胸腺嘧啶結(jié)合，形成T-Pb2+-T結(jié)構(gòu)；銀可選擇性的同胸腺嘧啶-胸腺嘧啶結(jié)合，形成T-Ag+-T結(jié)構(gòu)。基于此設(shè)計(jì)了許多基于DNA的電化學(xué)傳感器，用于檢測溶液中的Hg2+、Pb2+、Ag+等。湖南大學(xué)在這方面的研究走在前端，其分別研究了基于電化學(xué)DNA生物傳感器分別用于檢測水體中痕量汞[5-6]、水體中的鉛[7]，中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所研究了基于電化學(xué)DNA生物傳感器用于檢測水體中銀離子[8]。

3 總結(jié)與展望

本文針對電化學(xué)DNA生物傳感器的工作原理，及其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、基因分析和環(huán)境檢測等角度對現(xiàn)有專利進(jìn)行了分析，從申請時(shí)間、申請人分布情況，應(yīng)用領(lǐng)域分布的角度對專利的大致分布情況進(jìn)行了分析，以具體專利分析的形式進(jìn)行了說明。隨著我國在自主創(chuàng)新能力的增強(qiáng)，知識產(chǎn)權(quán)意識的增強(qiáng)，了解相關(guān)領(lǐng)域的專利趨勢，對電化學(xué)DNA生物傳感器的發(fā)展，及其在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用方面的發(fā)展具有一定的指導(dǎo)和借鑒作用?，F(xiàn)如今用到的電化學(xué)DNA生物傳感器對待測物質(zhì)的檢測更加迅速、選擇性、靈敏度更好，試驗(yàn)中所需要的儀器設(shè)備也更加簡單，測試成本大大降低，檢測結(jié)果也更加準(zhǔn)確，為人類的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。然而隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人類生產(chǎn)生活的進(jìn)步，對電化學(xué)DNA生物傳感器提出了更高，更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，應(yīng)用前景也更加廣闊。主要體現(xiàn)在應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，傳感器設(shè)計(jì)的優(yōu)化，電化學(xué)分析檢測方法的優(yōu)化，以及與其他分析檢測手段聯(lián)用等方面。

【參考文獻(xiàn)】

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[3]Erdem A.，Ozsoz M.Electrochemical DNA Biosensors Based on DNA-Drug Interactions[J].Electroanalysis.2002，14（14）：965.

[4]公開號：CN104155445A，申請人：濟(jì)南大學(xué)，申請日：2014年07月14日.

[5]公開號：CN102706940A，申請人：湖南大學(xué)，申請日：2012年10月03日.

[6]公開號：CN104535626A，申請人：濟(jì)南大學(xué)，申請日：2015年04月22日.

[7]公開號：CN104020204A，申請人：湖南大學(xué)，申請日：2014年09月03日.

[8]公開號：CN1525163A，申請人：中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所，申請日：2004年09月01日.