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电化学生物传感器在疾病早期诊断中的应用

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摘要：在当前肿瘤临床研究中，由于肿瘤早期不伴转移，容易切除，可为患者赢得较多的存活机会，因此科技界对肿瘤的早期诊断格外重视。目前肿瘤的分子生物学基础表明，肿瘤的发生是由于原癌基因的激活和抑制基因的失活，因此基因诊断可作为肿瘤早期诊断的一个重要指标。DNA电化学生物传感器是近几年国际热点研究的一类新型生物传感器，其具有特异性强、灵敏度高、检测快速、简单经济的特点，因此在肿瘤等重大疾病的早期诊断中具有重要的意义。本文介绍了电化学DNA传感器的研究进展，以慢性粒细胞白血病、急性早幼粒细胞白血病和骨肉瘤为例，探讨了其对特异性靶序列进行检测的实验研究并提出了其在实际应用中所遇到的问题。

关键词：肿瘤；早期诊断；DNA电化学生物传感器；特异性

1前言电化学DNA传感器研究进展：

生物传感器(biosensor)是以生物学组件作为主要功能性元件，能够感受到特定的靶物质并按照一定规律将这种感知转换成可识别信号的器件或装置。生物传感器的产生在临床医药、食品检验、环境监测以及反恐等各个领域引起了一场革命，其优越性使人们越来越集中于该领域的研究，并快速推动着自身的发展。尽

管生物传感器从产生至今仅有20多年的历史，但已经很快从酶传感器和组织传感器迅速发展到特异性更加突出的免疫传感器和基因传感器（DNA传感器）。

1953年，Watson和Crick[1]发现了DNA的双螺旋结构，随后分子生物学学科逐步建立，并掀起了各学科研究DNA的热潮，直到现在这个热潮仍然持续高涨，主要由于DNA是绝大多数生物的基本遗传物质，是生命化学的中心，是研究生命现象的关键。人类基因组计划更是生物医学研究的里程碑[2,3]，它使我们从一个崭新的角度去认识疾病，了解环境与健康的关系以及理解人类的起源和进化，认识基因（DNA，脱氧核糖核酸）对人类生老病死的控制过程。随着对基因与癌症及其它基因相关病症的了解，在分子水平上检测疾病易感基因，对于实现疾病的早期诊断乃至超前预测有着重要的意义。基因诊断是通过直接检查基因的存在状态或者缺陷对疾病做出诊断的方法，其探测目的物主要是DNA，有时是RNA（核糖核酸）。目前，基因诊断的方法学研究取得了很大进展，先后建立了限制性内切酶酶谱分析、核酸分子杂交、限制性片段长度多态性连锁分析、聚合酶链式反应（PCR），以及近年发展起来的DNA传感器及DNA芯片技术等[4,5,6]。标记法核酸杂交检测技术现已广泛应用于生物学、医学和环境科学等有关领域，但其实验过程费时，费力，并且传统的放射性同位素标记安全性差，难以满足各方面的需要，发展新型分子杂交快速检测技术已经迫在眉睫。DNA传感器为核酸杂交快速检测提供了一个新途径，它是以杂交过程高特异性为基础的快速传感检测技术。自人类基因组破译以来，这一领域的发展日新月异，并且促进了化学、生物学、计算机科学、材料学和微电子等各学科中多种理论和技术在该领域中的交叉应用，目前已取得了很大进展。

DNA生物传感器所检测的是核酸的杂交反应，因此也可以称它为核酸杂交生物传感器（nucleicacidhybridizationbiosensor）。每种生物体内都含有其独特的核酸序列，因此检测特定核酸序列的关键是要设计一段寡核苷酸序列作为探针，这段探针能够专一地与其进行杂交，而与其它非特异性序列不杂交，对靶序列杂交的特异性和敏感性，一直是核酸检测工作者的研究主题。DNA生物传感器的结构包括一个靶序列识别层和一个信号换能器，识别层通常由固定在换能器上的探针DNA以及一些其它的辅助物质组成，它可以特异性地识别靶序列并与其杂交；而换能器可将此杂交过程所产生的变化转变为可识别的信号；根据杂交前后信号量的变化，可以对靶DNA进行准确定量。根据换能器种类不同，可大致分为电化学DNA传感器、光学DNA传感器和质量DNA传感器等。在众多DNA传感检测方法中，基于分子电学性质的电化学技术具有独特的优越性。电化学检测技术灵敏、快速、成本非常低廉，而且检测装置轻便、低能耗且易于微型化和成化，符合手持式检测装置以及未来的芯片实验室(lab-on-a-chip)的要求。而且电化学基因传感技术通常具有以下特点：杂交反应在其表面上直接完成，并且转换器能够将杂交过程所产生的变化转变成电信号；根据杂交前后电信号变化量，从而推断出被检DNA的量；具有准确、快速和廉价等优越性；更重要的是，其能被推广应用到所有和DNA序列信息相关的领域中。

电化学DNA生物传感器是将单链DNA探针固定在电极上，电极作为信号传导器将表面发生的杂交反应导出。由于DNA在大多数情况下是电化学惰性的，这就需要在电化学检测中加入电化学活