1、一、基因傳感器概述一、基因傳感器概述1. 1. 基因傳感器及原理基因傳感器及原理 以以DNA為敏感元件，通過信號轉換器將為敏感元件，通過信號轉換器將DNA與與DNA、DNA與與RNA、DNA與其它有機與其它有機無機離子之間的作用的生物學信號轉變為可檢無機離子之間的作用的生物學信號轉變為可檢測的光、電等物理信號測的光、電等物理信號。第七章第七章 基因傳感器基因傳感器Genosensor2.基本結構基本結構 DNA探針探針 信號轉換器信號轉換器3. 基因傳感器的制備步驟基因傳感器的制備步驟 DNA探針的固定探針的固定 雜交過程雜交過程 雜交的指示雜交的指示 信號的檢測信號的檢測設計設計DNA傳感器

2、涉及兩個關鍵技術：傳感器涉及兩個關鍵技術： 有效地將有效地將DNA探針固定在固體基質表面的技術探針固定在固體基質表面的技術 在傳感器在傳感器/液相界面對于靶基因的檢測技術液相界面對于靶基因的檢測技術4. DNA探針的固定化方法探針的固定化方法 吸附法吸附法 共價鍵結合法共價鍵結合法 自組裝膜法自組裝膜法Au電極拋光、清洗用被HS(CH2)6-標記的寡聚核苷酸探針修飾電極表面封閉將目標DNA均勻分布在電極表面，雜交形成ds-DNA置于雜交指示劑溶液中，取出洗去表面未被吸附的指示劑選擇選擇DNA探針遵循的原則：探針遵循的原則： 探針的長度探針的長度 GC堿基的組成堿基的組成 探針分子內不能存在互補

3、區探針分子內不能存在互補區 二、基因傳感器的類型二、基因傳感器的類型 電化電化學學DNA傳感器傳感器 光纖光纖DNA傳感器傳感器 壓電型壓電型DNA傳感器傳感器 1. 電化學電化學DNA傳感器傳感器 電化電化學學DNA傳感器由已知序列的單鏈傳感器由已知序列的單鏈DNA分子與分子與電化學電極組成。電化學電極組成。 電電極表面固定的極表面固定的ssDNA探針探針 電化學活性標識物電化學活性標識物（1 1）電化學活性標識物）電化學活性標識物 制作電制作電化學化學DNA傳感器的傳感器的關鍵是必須引入關鍵是必須引入電化學活性標識物。電化學活性標識物。 常用的標識物有三種類型：常用的標識物有三種類型： 電

4、化學活性的雜交指示劑電化學活性的雜交指示劑 寡聚核苷酸上修飾電化學活性的官能團寡聚核苷酸上修飾電化學活性的官能團 標記酶標記酶 電化學活性的小分子物質能與電化學活性的小分子物質能與DNA分子分子發生可逆性相互作用，其中一些物質能夠專發生可逆性相互作用，其中一些物質能夠專一性地嵌入一性地嵌入dsDNA 分子雙螺旋結構的堿基對分子雙螺旋結構的堿基對之間，這一類物質稱為雜交指示劑。之間，這一類物質稱為雜交指示劑。 電化學活性的雜交指示劑電化學活性的雜交指示劑 電化學活性雜交指示劑的電活性可使檢電化學活性雜交指示劑的電活性可使檢測電流增大，提高檢測靈敏度。測電流增大，提高檢測靈敏度。 合成帶有電化學活

5、性基團的寡聚核苷酸，合成帶有電化學活性基團的寡聚核苷酸，與電極表面固與電極表面固定的定的ssDNA選擇性地進行雜交反選擇性地進行雜交反應，在電極表面形成帶有電活性官能團的雜交應，在電極表面形成帶有電活性官能團的雜交分子，通過測定其電信號可以識別和測定分子，通過測定其電信號可以識別和測定DNA分子。分子。 寡聚核苷酸上修飾電化學活性的官能團寡聚核苷酸上修飾電化學活性的官能團 在寡聚核苷酸的在寡聚核苷酸的5-5-端磷酸基上標記具有端磷酸基上標記具有電化學活性的羧酸二茂鐵，制成二茂鐵寡聚電化學活性的羧酸二茂鐵，制成二茂鐵寡聚核苷酸。合成的二茂鐵寡聚核苷酸選擇性地核苷酸。合成的二茂鐵寡聚核苷酸選擇性地

6、與互補單鏈與互補單鏈DNADNA形成復合物，檢測其電流的變形成復合物，檢測其電流的變化。該電流信號與復合物的量相關。化。該電流信號與復合物的量相關。 利用酶的化學放大功能，在利用酶的化學放大功能，在DNA分子上分子上標記酶作為識別物，當被酶標記的標記酶作為識別物，當被酶標記的ssDNA與電與電極表面的互補極表面的互補ssDNA發生雜交反應后，相當于發生雜交反應后，相當于在電極表面修飾了一層酶，酶具有很強的催化在電極表面修飾了一層酶，酶具有很強的催化功能，通過測定反應生成物的變化量可以間接功能，通過測定反應生成物的變化量可以間接測定測定DNA。 標記酶標記酶 檢測時，將檢測時，將ssDNA探針固

7、定在電極表面，加入探針固定在電極表面，加入具有電活性的物質作為標識物，浸入含有被測目標具有電活性的物質作為標識物，浸入含有被測目標DNA分子的溶液中，通過檢測電極在待測溶液中分子的溶液中，通過檢測電極在待測溶液中電化學信號的變化，確定靶基因的序列。電化學信號的變化，確定靶基因的序列。 或者將待測基因片段固定在電極表面，然后與或者將待測基因片段固定在電極表面，然后與溶液中已標定雜交指示劑的溶液中已標定雜交指示劑的DNA探針進行雜交，探針進行雜交，達到識別和測定靶基因的目的。達到識別和測定靶基因的目的。（2 2）檢測原理）檢測原理 電化學電化學DNA傳傳感器檢測原理感器檢測原理（3）應用）應用 電

8、化學電化學DNA傳感器在傳感器在基因分析、醫學基因分析、醫學分析、環境污染監測等方面都有應用。分析、環境污染監測等方面都有應用。 A: ss-DNA probe HS(CH2)6-5-d(TAAGGG AAT GGT TAG GAA GGC)-3,B:fully matched oligonucleotide 5-d(GCC TTC CTA ACC ATT CCC TTA)-3, C:single-basemismatchedoligonucleotide 5-d(GCC TTC CTA ACT ATT CCCTTA)-3, D:double-base-mismatched oligonucl

9、eotide 5-d(GCC TTC CTA ACT C TT CCC TTA)-3,E: fully mismatched oligonucleotide 5-d(CTT GAT ACG GAT CAG AGT CAT)-3靶序列與靶序列與Ss-DNA探針完全配對或錯配時的濃度探針完全配對或錯配時的濃度-電流曲線電流曲線雜交時完全配對雜交時完全配對 A+B1個堿基錯配個堿基錯配 A+C堿基完全錯配堿基完全錯配 A+E2個堿基錯配個堿基錯配 A+D 基因分析基因分析 環境檢測環境檢測 Hg2+的檢測的檢測 醫學分析醫學分析 細菌及病毒感染類疾病的診斷細菌及病毒感染類疾病的診斷 基因診斷基因診斷

10、 DNA損損傷研究傷研究2. 光光纖纖DNA傳感器傳感器 以光纖作為轉換元件，將雜交過程中產以光纖作為轉換元件，將雜交過程中產生的特征光學信號（熒光、發光、顏色變化生的特征光學信號（熒光、發光、顏色變化等），通過光纖探頭傳遞至光檢測器，經光等），通過光纖探頭傳遞至光檢測器，經光電轉換進而測定出目標基因。電轉換進而測定出目標基因。3.3.壓電晶體壓電晶體DNA傳感器傳感器 壓電晶體壓電晶體DNA傳感器是新型的基因檢測傳感器是新型的基因檢測技術。技術。 具有操作簡便快速、成本低、體積小、具有操作簡便快速、成本低、體積小、易于攜帶等特點，在分子生物學、疾病診易于攜帶等特點，在分子生物學、疾病診斷和治療、新藥開發、司法鑒定等領域具斷和治療、新藥開發、司法鑒定等領域具有很大潛力。有很大潛力。壓電晶體壓電晶體DNA傳感器原理傳感器原理 25 小結：小結：習題：習題：1. 請分別設計測定肌酸酐的電流型酶傳感器、光纖請分別設計測定肌酸酐的電流型酶傳感器、光纖酶傳感器和電流型微生物傳感器（節桿菌中含酶傳感器和電流