DNA传感器突破人类感知极限

刘仲明

（广州军区广州总医院）

DNA传感器突破人类感知极限

刘仲明

（广州军区广州总医院）

承载着生命遗传物质的DNA分子，可作为检测基因损伤和错误的生物传感器，也可被用来诊断、治疗多种疾病。主要论述了DNA传感器工作原理、应用及未来发展趋势。

传感器；DNA；基因

0 引言

人们为了从外界获取信息，需借助于感觉器官。而单靠人类自身的感觉器官，在研究自然现象和规律时或者在生产活动中，它们的功能还远远不够。为适应这种情况，需要借助传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，相当于人的感官。

传感器将非电量信号转变成电信号，这样就能满足信号的传输、处理、储存、显示、记录和控制等要求。传感器早已渗透到诸如工业生产、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程，甚至文物保护等等极其广泛的领域。从茫茫太空到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。

1 传感器的种类

传感器分类多种多样，根据输入物理量可分为：位移传感器、压力传感器、速度传感器、温度传感器等；根据换能器原理可分为：电阻式、电感式、电容式及电势式等；根据输出信号的性质可分为：模拟式传感器和数字式传感器。即模拟式传感器输出模拟信号，数字式传感器输出数字信号；根据能量转换方式可分为：有源传感器和无源传感器。有源传感器将非电量转换为电能量，如电动势、电荷式传感器等；无源程序传感器不起能量转换作用，只是将被测非电量转换为电参数的量，如电阻式、电感式及电容光焕发式传感器等。

2 DNA传感器工作原理

DNA传感器称为基因传感器，属于生物传感器的一种。DNA生物传感器是一种能将目标DNA的存在转变为可检测电信号的传感装置。它由两部分组成：一部分是识别元件，即DNA探针；另一部分是换能器，如图1所示。识别元件主要用来感知样品中是否含有待测的目标DNA；换能器则将识别元件感知的信号转化为可以观察记录的信号（如电流大小、频率变化、荧光和化学发光强度以及光吸收程度等）。通常，在换能器上固化一条单链DNA，通过DNA分子杂交，对另一条含有互补序列的DNA进行识别（碱基互补配对原则），形成稳定的双链DNA，通过声、光、电信号的转换，对目标DNA进行检测。

图1 DNA传感器的组成

DNA传感器是一类特殊的传感器，是在生物、化学、物理、医学、电子技术等多种学科互相渗透的基础上成长起来的。它特异性强，DNA分子双链之间具有非常高的特异性识别能力；分析速度快，可以在1分钟内得到结果；准确度高，误差极小；操作系统比较简单，容易实现自动分析；成本低，在连续使用时，测定价格低廉。具有高度自动化、微型化与集成化的特点。

DNA传感器延伸感官的原理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ss－DNA分子（也称为目标DNA）杂交，形成的双链DNA会表现出一定的物理信号，最后由换能器反应出来。DNA传感器原理图如图2所示。

图2 DNA传感器原理图

以DNA电化学传感器检测基因损伤为例，详细说明它的工作原理。因为DNA碱基互补具有选择性和特异性，所以通常把需要检测的DNA（目标DNA）的互补链作为探针。当探针与目标DNA碱基互补配对成功时，通过DNA链的电流会发生相应的改变。电信号出现变化，表明已经互相吻合了。从另一个角度讲，如果电信号未发生变化，也暗示着这段DNA可能存在损伤。

生物敏感材料的固定化技术是基因传感器研究的重要一环，也是制备生物传感器的关键。这项技术决定了传感器的功能、性能和质量。与传感器的灵敏度、线性范围、稳定性及使用寿命有关。现固定DNA探针的技术主要有共价键结合法、自组装膜法、电集合法、表面富集法。

共价键结合法是通过共价键使生物活性分子与电极表面结合而进行固定的方法。固定电极之前首先要对电极进行活化预处理，再引入活性键合基团（如氨基、羧基等），然后进行表面的共价键合，把含预定功能团的探针分子固定到电极表面。

自组装膜法一般利用一段带巯基的DNA片段，在金电极表面形成自组装单分子膜来固定核酸探针。

3 DNA传感器的应用

随着分子生物学的发展，人们逐渐意识到除外伤以外，包括传染性疾病、遗传性疾病及恶性肿瘤等所有的疾病都与基因有关系，因此应用在基因检测方面的DNA传感器就显得十分重要。

比如，乙型肝炎是乙肝病毒（HBV）所引起的一种传播快、潜伏期长、危害广的传染病，我国慢性无症状HBV感染者或慢性无症状HBV携带者已超过1.2亿，是HBV感染者中存在数量最大的群体。如果采用上面介绍过的自组装单分子膜技术，将巯己基修饰的探针的单链DNA探针固定在金电极表面，制得DNA电化学传感器，以某种电活性物质为指示剂，就可以获得特异性好、灵敏度高、响应时间短的DNA传感器。它对血清样品中乙肝病毒DNA的响应则更理想。换句话说，DNA传感器能帮助人们正确、快速、高质量地检测出受试者体内是否已经感染慢性无症状HBV或者已经携带这种病毒。

生物传感器在近几十年发展迅速，尤其分子生物学与微电子学、光电子学、微细加工技术及纳米技术等新学科、新技术结合后，这种发展正在加速进行，并在国民经济的各个部门，如食品、制药、化工、临床检验、生物医学、环境监测等领域显露出广泛的应用前景。

比如，葡萄糖的含量是衡量水果成熟度和贮藏寿命的一个重要指标，已开发的生物传感器可用来分析白酒、苹果汁、果酱和蜂蜜中的葡萄糖。食品工业中对食品鲜度尤其是鱼类、肉类的鲜度检测是评价食品质量的一个主要指标。目前，已开发出测定鱼降解过程中产生的肌苷一磷酸等物质的浓度，进而评价鱼鲜度的传感器。

近年来，环境污染问题日益严重，人们迫切希望拥有一种能对污染物进行连续、快速、在线监测的仪器，生物传感器能够满足此类要求。目前，已有相当部分的生物传感器应用于水环境监测、大气环境监测等领域。

军事医学中，对生物毒素的及时快速检测是防御生物武器的有效措施。生物传感器已应用于监测多种细菌、病毒及其毒素，如炭疽芽胞杆菌、鼠疫耶尔森菌、埃博拉出血热病毒、肉毒杆菌类毒素等。

此外，在法医学中，生物传感器可用作DNA鉴定和亲子认证等。

4 DNA传感器未来发展趋势

目前，传感器的研究尚需在稳定性、可靠性方面寻求新的突破。只有打造更加稳定可靠的生物传感器，才能大幅拓展在临床检验方面的应用。

另外，传感器还将朝着微型化、集成化方向发展。随着微加工技术和纳米技术的进步，生物传感器将不断的微型化，各种便携式生物传感器的出现使人们在家中进行疾病诊断、在市场上直接检测食品成为可能。而且，未来的生物传感器必定与计算机紧密结合，自动采集数据、处理数据，更科学、更准确地提供结果，实现采样、进样、结果一条龙，形成检测的系统。随着这两个方向研究的不断深入，产品成本的逐渐下降，在实验室展现巨大应用前景的生物传感器，也将会“飞入寻常百姓家”。

还应该看到，生物传感器的研究本质上依仗的是生物学、电子学、材料学的不断进步。尤其新材料技术是人们研究必须密切关注的领域，它能促成生物传感器极大的飞跃。

刘仲明，广州军区广州总医院高级工程师、技术顾问，多年来一直从事生物传感器的研究工作。曾获全国科学大会奖1项、国家发明三等奖1项、军队科技进步二等奖2项、广东省科技进步二等奖1项。1978年出席了全国科学大会，并被评为全国科技先进工作者，受到党和国家领导人的接见。荣立二等功、三等功各1次。1993年10月起享受国务院政府特殊津贴。

（本文根据刘仲明高级工程师的讲座录音整理）

DNA Sensor Technology Overcomes Human Limitations

Liu Zhongming
（Guangzhou General Hospital of Guangzhou Military Area Command）

DNA passes on the hereditary material to each daughter cell and may be as biosensors for detecting gene injuries and errors, and used for diagnose and treat more than one illness. The paper discusses DNA sensor, its use and development.

Sensor; DNA; Gene