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傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開(kāi)發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護、資源調查、醫學(xué)診斷、生物工程，甚至文物保護等等極其廣泛的領(lǐng)域�？梢院敛豢鋸埖卣f(shuō)，從茫茫太空到浩瀚的海洋，以至各種復雜的工程系統，幾乎每一個(gè)現代化項目，都離不開(kāi)各種各樣的傳感器。 記者：傳感器分類(lèi)多種多樣，我們提到的DNA分子制作的傳感器是哪一種? 劉仲明：這種傳感器被稱(chēng)之為基因傳感器，它是生物傳感器的一種。 DNA生物傳感器是一種能將目標DNA的存在轉變?yōu)榭蓹z測電信號的傳感裝置。它由兩部分組成，一部分是識別元件，即DNA探針，另一部分是換能器。識別元件主要用來(lái)感知樣品中是否含有待測的目標DNA;換能器則將識別元件感知的信號轉化為可以觀(guān)察記錄的信號(如電流大小、頻率變化、熒光和化學(xué)發(fā)光強度以及光吸收程度等)。通常是在換能器上固化一條單鏈DNA，通過(guò)DNA分子雜交，對另一條含有互補序列的DNA進(jìn)行識別(堿基互補配對原則)，形成穩定的雙鏈DNA，通過(guò)聲、光、電信號的轉換，對目標DNA進(jìn)行檢測。 記者：它是如何為我們延伸感官的呢? 劉仲明：其原理是通過(guò)固定在傳感器或稱(chēng)換能器探頭表面上的已知核苷酸序列的單鏈DNA分子(也稱(chēng)為ssDNA探針)和另一條互補的ss-DNA分子(也稱(chēng)為目標DNA)雜交，形成的雙鏈DNA會(huì )表現出一定的物理信號，最后由換能器反應出來(lái)。 下面我以DNA電化學(xué)傳感器檢測基因損傷為例，為大家詳細解說(shuō)一下它的工作原理。DNA堿基互補具有選擇性和特異性，所以我們常把需要檢測的DNA(目標DNA)的互補鏈作為探針。當探針與目標DNA堿基互補配對成功時(shí)，通過(guò)DNA鏈的電流會(huì )發(fā)生相應的改變，電信號出現變化，這種變化就提示我們兩者已經(jīng)互相吻合了。從另一個(gè)角度講，如果電信號未發(fā)生變化，也暗示著(zhù)這段DNA可能存在損傷。 說(shuō)得再通俗一點(diǎn)，這就像把一堆銅幣堆在一起，恰當對準的話(huà)它們就能導電。如果這堆硬幣中一個(gè)出了差錯或放得不好，導電性就會(huì )下降。如果是堿基對搭配不當，或出現了可能致癌的損傷，線(xiàn)路就會(huì )被打亂，電流就不能暢通。 這就如同用一把鑰匙開(kāi)一把鎖，如果鑰匙與鎖的缺口形狀無(wú)法吻合，我們就知道它們二者是不匹配的，鎖可能出現了問(wèn)題。如果它們形狀吻合，則可依鑰匙上的標簽判斷出鎖的屬性。 靈敏快速準確非常適合醫學(xué)檢測 記者：DNA分子非常微小而脆弱，我們如何固定并使用它呢? 劉仲明：你說(shuō)的這個(gè)問(wèn)題很重要，生物敏感材料的固定化技術(shù)是基因傳感器研究的重要一環(huán)，也是制備生物傳感器的關(guān)鍵。這項技術(shù)決定了傳感器的功能、性能和質(zhì)量。說(shuō)得具體一點(diǎn)還關(guān)乎傳感器的靈敏度、線(xiàn)性范圍、穩定性及使用壽命�，F在固定DNA探針的技術(shù)有共價(jià)鍵結合法、自組裝膜法、電集合法、表面富集法這么幾種主要方法。 共價(jià)鍵結合法是通過(guò)共價(jià)鍵使生物活性分子與電極表面結合而進(jìn)行固定的方法。固定電極之前首先要對電極進(jìn)行活化預處理，再引入活性鍵合基團(如氨基、羧基等)，然后進(jìn)行表面的共價(jià)鍵合，把含預定功能團的探針?lè )肿庸潭ǖ诫姌O表面。 當然我們還使用自組裝法來(lái)固定DNA。這項技術(shù)一般利用一段帶巰基的DNA片段，在金電極表面形成自組裝單分子膜來(lái)固定核酸探針。 其他還有幾種常用的方法，我在這里就不一一介紹了。 記者：DNA傳感器作為生物傳感器的一種，它有哪些與眾不同的特點(diǎn)? 劉仲明：DNA傳感器是一類(lèi)特殊的傳感器，它是在生物、化學(xué)、物理、醫學(xué)、電子技術(shù)等多種學(xué)科互相滲透的基礎上成長(cháng)起來(lái)的。它特異性強，DNA分子雙鏈之間具有非常高的特異性識別能力;分析速度快，可以在1分鐘得到結果;準確度高，誤差極小;操作系統比較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現自動(dòng)分析;成本低，在連續使用時(shí)，測定價(jià)格低廉。特別是它具有高度自動(dòng)化、微型化與集成化的特點(diǎn)。 記者：與其他領(lǐng)域相比，DNA傳感器在臨床醫學(xué)上的應用離我們更近，也更為大家所關(guān)注，您能具體談一下這方面的應用嗎? 劉仲明：隨著(zhù)分子生物學(xué)的發(fā)展，人們逐漸意識到除外傷以外，包括傳染性疾病、遺傳性疾病及惡性腫瘤等所有的疾病都與基因有關(guān)系，因此應用在基因檢測方面的DNA傳感器就顯得十分重要。 比如，乙型肝炎是乙肝病毒(HBV)所引起的一種傳播快、潛伏期長(cháng)、危害廣的傳染病,我國慢性無(wú)癥狀HBV感染者或慢性無(wú)癥狀HBV攜帶者已超過(guò)1.2億，是HBV感染者中存在數量最大的群體。如果采用上面我介紹過(guò)的自組裝單分子膜技術(shù)，將巰己基修飾的探針的單鏈DNA探針固定在金電極表面，制得DNA電化學(xué)傳感器，以某種電活性物質(zhì)為指示劑，就可以獲得特異性好、靈敏度高、響應時(shí)間短的DNA傳感器。它對血清樣品中乙肝病毒DNA的響應則更理想。換句話(huà)說(shuō)，DNA傳感器能幫助我們正確、快速、高質(zhì)量地檢測出受試者體內是否已經(jīng)感染慢性無(wú)癥狀HBV或者已經(jīng)攜帶這種病毒。 眾多行業(yè)都需要應用前景十分廣闊 記者：除了臨床醫學(xué)外，生物傳感器還有哪些應用領(lǐng)域? 劉仲明：生物傳感器在近幾十年獲得可喜的發(fā)展。尤其分子生物學(xué)與微電子學(xué)、光電子學(xué)、微細加工技術(shù)及納米技術(shù)等新學(xué)科、新技術(shù)結合后，這種發(fā)展正在加速進(jìn)行，并在國民經(jīng)濟的各個(gè)部門(mén)，如食品、制藥、化工、臨床檢驗、生物醫學(xué)、環(huán)境監測等領(lǐng)域顯露出廣泛的應用前景。 比如，葡萄糖的含量是衡量水果成熟度和貯藏壽命的一個(gè)重要指標，已開(kāi)發(fā)的生物傳感器可用來(lái)分析白酒、蘋(píng)果汁、果醬和蜂蜜中的葡萄糖。食品工業(yè)中對食品鮮度尤其是魚(yú)類(lèi)、肉類(lèi)的鮮度檢測是評價(jià)食品質(zhì)量的一個(gè)主要指標�，F在已經(jīng)有人開(kāi)發(fā)出測定魚(yú)降解過(guò)程中產(chǎn)生的肌苷一磷酸等物質(zhì)的濃度，進(jìn)而評價(jià)魚(yú)鮮度的傳感器。 近年來(lái)，環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴重，人們迫切希望擁有一種能對污染物進(jìn)行連續、快速、在線(xiàn)監測的儀器，生物傳感器滿(mǎn)足了人們的要求。目前，已有相當部分的生物傳感器應用于水環(huán)境監測、大氣環(huán)境監測等領(lǐng)域。 軍事醫學(xué)中，對生物毒素的及時(shí)快速檢測是防御生物武器的有效措施。生物傳感器已應用于監測多種細菌、病毒及其毒素，如炭疽芽胞桿菌、鼠疫耶爾森菌、埃博拉出血熱病毒、肉毒桿菌類(lèi)毒素等。 此外，在法醫學(xué)中，生物傳感器可用作DNA鑒定和親子認證等。 記者：您覺(jué)得這項研究領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展方向是什么? 劉仲明：現在來(lái)說(shuō)，傳感器的研究需要在穩定性、可靠性方面尋求新的突破。只有打造更加穩定可靠的生物傳感器，臨床檢驗方面應用才會(huì )得到大幅度的拓展。 另外，傳感器還將朝著(zhù)微型化、集成化方向發(fā)展。隨著(zhù)微加工技術(shù)和納米技術(shù)的進(jìn)步，生物傳感器將不斷的微型化，各種便攜式生物傳感器的出現使人們在家中進(jìn)行疾病診斷、在市場(chǎng)上直接檢測食品成為可能。而且，未來(lái)的生物傳感器必定與計算機緊密結合，自動(dòng)采集數據、處理數據，更科學(xué)、更準確地提供結果，實(shí)現采樣、進(jìn)樣、結果一條龍，形成檢測的自動(dòng)化系統。隨著(zhù)這兩個(gè)方向研究的不斷深入，產(chǎn)品成本的逐漸下降，曾經(jīng)在實(shí)驗室展現巨大應用前景的生物傳感器，也將會(huì )“飛入尋常百姓家”。 (儀器儀表) |
