DNA 传感器的构建及检测示意图
特定序列DNA杂交检测技术在法医检测、亲子鉴定、遗传性疾病的诊断以及传染病源的检测中起到非常重要的作用. 因此, 低能耗、高灵敏的DNA传感器的研制引起了人们的高度关注. 目前已开发了许多基于光学、压电以及电化学等技术的DNA传感器. 电化学传感器由于其本身简单、便携、高灵敏等特点, 在实际应用中展现出其独特的优越性能. 电化学DNA传感器的报道有通过催化银沉积或通过纳米标记(碳纳米管、纳米金球、纳米银球、磁珠以及量子点)等进行信号放大检测. 尽管这些方法在一定程度上改善了灵敏度, 但是这些方法均需要外加试剂, 或者需要复合材料的制备以及繁琐的操作步骤.
电化学方法中基于DNA杂交引起结构转变的无试剂、两步操作的传感器得到快速发展. 广义而言, 这些DNA电化学传感器可以归为两类. 第一类是信号湮灭型传感器, 这类传感器通过目标DNA与电极表面标记有氧化还原电活性探针的DNA杂化后, 改变DNA的构型, 使标记的氧化还原活性物远离电极表面, 减小法拉第电流. 如用亚甲蓝(MB)标记茎环结构适配体, 当与干扰素分子结合后适配体发生构型转变, 使MB远离电极表面, 降低了氧化还原活性物质与电极界面的电子转移效率, 通过检测电流的减小量实现干扰素的高灵敏检测. 第二类是将标记有二茂铁(Fc)的发卡式探针DNA通过金硫键组装到金电极上, 与目标DNA杂交后, 探针茎环结构打开, Fc和电极之间电子传递距离增加, 电流减小, 实现DNA的测定. 第二类是信号增强型传感器. 与前一类相比, 这类传感器中氧化还原标记物从电极的远端移动到近端, 这种距离的改变导致电子传递效率的变化, 通过检测电活性分子氧化还原电流的增量, 可以方便快速地指示杂交反应的发生, 并确定目标DNA的浓度. 例如, 将标记有MB的假结三级结构探针固定在金电极表面, 通过与目标DNA的杂化, MB靠近电极界面, 增强了电子的转移速率. Immoos等通过聚乙二醇连接c-DNA和r-DNA形成三嵌段, 三嵌段DNA 链的一端标记有Fc, 与目标物杂交后三嵌段DNA构型变化, 缩短了Fc与电极表面的距离, 提高了Fc与电极表面的电子转移速率, 实现了对目标DNA的检测. 最近, Zhang等利用Y型结构DNA和Fc作为电活性标记物发展了一种简单的检测方法, 但是由于电极表面没有封闭, 这种方法中存在一定的背景电流, 这在目标浓度较低的情况下, 会降低实验结果的可靠性.
南京大学化学与化工学院徐静娟等人利用纳米金膜(GNF)和稳定的Y型DNA成功构建了一种具有良好选择性和较低检测限的DNA传感器. 首先将金电极快速氧化后还原制成GNF, 利用Au—S键将捕获探针DNA(c-DNA)有效地固定到GNF电极表面, 在目标物存在的情况下, 将其与标记有亚甲蓝(MB)的指示探针(r-DNA)杂交形成Y型结构.