基因传感器简介

　　21世纪是生物学发展的时代，特别是生物科学与计算机科学经融合产生的生物信息学将得到蓬勃的发展。事实上，从20世纪90年代初随着人类基因组计划的实施，生物信息学就已开始形成。一般地讲，生物信息学指的是利用数理和信息科学的观点、理论和方法去研究生命现象，获取生物学的数据，分析和提取生物信息的科学。对于人类基因组计划，生物信息学就是研究遗传基因信息的科学。



　　传感技术是信息科学的三大技术之一，是信息获取的手段。利用传感技术获取生物的信息是生物信息学发展的要求和必然。因此，随着生物信息学的发展，获取基因信息的基因传感器的概念应运而生。所谓基因传感器，其原理就是通过固定在传感器或称换能器探头表面上的已知核苷酸序列的单链DNA分子（也称为ssDNA探针），和另一条互补的ssDNA分子（也称为目标DNA）杂交，形成的双链DNA（dsDNA）会表现出一定的物理信号，最后由换能器反应出来。



　　目前研究和开发的基因传感器从信息转换原理区分，主要有电极电化学式，石英晶体振荡器（QCM）质量式和表面等离子谐振（SPR）光学式等几种。下面就这几种基因传感器的研究和发展做一个简单的介绍。



　　电化学基因传感器



　　电化学式基因传感器是以电极为换能器，也就是将ssDNA探针固定在金电极、碳糊电极或玻璃电极等表面上，然后浸入含有目标ssDNA分子的溶液中，此时电极上的ssDNA探针与溶液中的互补序列的目标DNA单链分子杂交。



　　利用循环伏安法可检测出双链DNA的杂交信号。不过，信号提取并不那么简单，实验中需加入具有电化学活性的指示剂。比如，在使用碳糊电极的电化学测量中，一般在溶液中加入三价的阳离子金属化合物：Co(bpy)3或Co(phen)3作为dsDNA杂交指示剂。Co(bpy)3有一个可逆的电子氧化作用，它以静电的方式与DNA双链的螺旋相结合，其电活性使得微分脉冲或循环伏安法的测量电流增大，提高了检测的灵敏度。



　　电化学基因传感器也可以不用指示剂来检测DNA的杂交，因为电活性剂的加入使得电化学信号的本底加大，使得检测的分辨率降低。过去，检测不到DNA杂交的本征信号是由于探针上鸟嘌呤基的存在，它不能检测含有鸟嘌呤基的目标分子。解决这个问题的办法是在电极上固定不含鸟嘌呤基的次黄(嘌呤核)苷探针，当嘌呤核苷与目标胞核嘧啶形成基对时，它的氧化信号就从鸟嘌呤的响应中很好地分离出来了。这样DNA杂交的信号就直接和方便地检测出来了。



　　电化学原理检测基因传感器提供了一种简单的、可靠的和价廉的DNA杂交测试方法。它具有较高的灵敏度，可探测出微克级的双链DNA分子，可以制作成微电极形式。同时，它与目前的DNA生物芯片技术兼容。其不足之处是不能完全定量检测，因为电极制备的每一个过程并非定量进行。电化学基因传感器的研究与发展方向是微型化、阵列化、快速、实时检测技术。



　　质量基因传感器



　　质量式基因传感器是以石英晶体振荡器（QCM）为换能器，与电化学基因传感器一样，也是将单链的DNA探针固定在电极表面上，然后浸入含有被测目标ssDNA分子的溶液中，当电极上的ssDNA探针与溶液中的互补序列的目标ssDNA分子杂交，QCM的振荡频率就会发生变化。ssDNA探针在电极上固定的方法与电化学基因传感器的方法一样。QCM基因传感器可以进行定量分析，可以做到定量固定ssDNA探针，定量检测杂交目标dsDNA。QCM是一种非常灵敏的质量传感器，可以检测到亚纳克级的物质。晶体的振荡频率随电极上的质量的增加而减少。



　　一般采用AT切割的基频为9MHz的石英晶体作为换能器，并在晶体的表面蒸发100nm厚的Au薄膜作为电极，ssDNA探针通过巯基结合在电极的表面。1纳克的物质附着在晶体上可使振荡频率减少0.95Hz。一般情况下，ssDNA探针只有20~30个碱基,而目标DNA分子的长度可能是探针的几十或上千倍。因此，杂交后的dsDNA会引起晶体表面质量的较大变化，很容易由频率的变化达到测量的目的。提高QCM基因传感器的灵敏度有几种方法：一是提高晶体的基频，这样做可能导致稳定性的降低；二是利用生物技术PCR放大DNA的浓度，这样使得检测的过程复杂化了，成本提高了；三是在QCM电极上制作多层膜，这样会有更多的杂交产物。QCM传感器已经用于检测很多生物化学物质，比如用于气体的检测，免疫反应检测，抗原抗体反应等。



　　SPR基因传感器



　　光学方法是最成熟和最好的生物敏感技术，因为它有两个最重要的优点：非破坏性和高灵敏度。一个特别的技术就是表面等离子体谐振（SPR）生物敏感技术。SPR作为换能器，其对基因敏感的原理仍然如电化学式或QCM式基因传感器一样，只不过检测的信号为光学信号，DNA杂交会引起反射光的光强度变化或角度变化。



　　SPR基因传感器可以进行无标记的DNA杂交反应的检测，可以进行原位和实时的在线检测，这些特点是由它的换能原理所体现出的。表面等离子体是沿着金属和电介质间的界面传播的电磁波形成的。当平行表面的偏振光以称之为表面等离子角的入射角照在界面上发生全反射时，入射光被耦合入表面等离子体态，在这个角度引起界面反射率显著减小。这种现象是因为表面等离子体谐振产生的，而谐振的出现是因为在界面上反射光产生了损耗波对电介质的渗透。表面等离子体谐振对附着在金属表面上的电介质的折射率非常敏感。众所周知，折射率是所有材料的一个固有的特征。因此，任何附着在金属表面上的电介质均可被检测。不同的电介质其表面等离子角不同；而同一种材料，附着在金属表面上的量不同，则SPR的响应强度不同。



　　中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室已于几年前研制出SPR传感器，用于气体敏感、生物敏感的研究。



　　SPR传感器的精度取决与多个因素：入射光的稳定性，光电转换的精度，机加工的精度以及被测物质的折射率和分子的大小等。SPR传感器发展的方向一是它的微型化集成化，比如TI公式研制的一种TISPR-1型传感器，就是典型的例子；另一方向是SPR的成象研究，对于DNA杂交乃至生物反应、分子动力学的研究和测试提供了新的手段。



　　基因传感器的应用



　　现代医学研究证明，人类疾病都直接或间接地与基因有关。从这个意义上讲，所有的疾病都可视为基因病或遗传病。疾病与基因的关系还是目前生物医学研究的主题，基因传感器的研究与应用必然会促进这方面的研究，对揭示基因与疾病的关系起到推动作用。



　　目前，一些基因传感器已应用到了医学临床对疾病的诊断的研究中，比如，利用QCM通过对肝炎病毒PCR产物的检测诊断肝炎，对p53基因检测诊断癌症等。基因传感器可用于对环境的监测，检测环境中的生物病菌等。在军事上的应用更是目前重视的研究项目。由于基因工程的研究成果为生物武器的研究开辟了新的领域――基因武器，便携、快速、灵敏的基因传感器可以发挥重要作用。



　　总之，基因传感器自20世纪90年代提出以来，研究和发展的非常快，特别是对于非标记的检测技术，如质量式的QCM和光学式的SPR生物传感器，具有广阔的发展前景。