适用于紫外辐射剂量测定的生物传感器

文/Andreas Bermpohl等人

生物传感器解决了检测紫外线绝对剂量的难题 // 但怎样检测紫外线照射的绝对剂量值呢？很长时间以来这也是检测分析技术一直无法逾越的障碍。最新研发的、基于人工合成DNA技术的生物传感器将能帮助您解决这一难题。

紫外线会导致长期暴露在外的人体出现红斑（晒伤）和结膜炎。近几十年来，人们已经知道短波紫外线对人体有着强烈的损伤作用，因此在生物化学层面上也对损伤产生的各种机理进行了讨论。最终得出的结论是：可能导致细胞分裂失控、失去接触抑制并因此而导致癌变。另一方面，短波紫外线对人类健康的积极作用也是众所周知的。没有这部分短波阳光人类就无法产生促进骨骼生长、发育所必须的维生素D。

另外，紫外线也与我们的心理健康有着密切的关系。紫外线有可能消除人体的炎症、从而促进患病机体的康复吗？1988年时Hengst等人的研究成果就已经表明：患有眼前房炎症（葡萄膜炎）患者在受到紫外线照射后会明显降低可的松的疗效。瑞士名医Paracelsus先生对紫外线这种完全相反的作用做了如下总结：关键在于剂量！而剂量恰恰是我们每天接触阳光时遇到的一大问题。因为要确定有益于健康和有害于健康的比例是一件非常困难的事情。

图1 来自太阳光的紫外线辐射导致胸腺嘧啶二聚体进入到DNA中。

用于紫外线照射检测的人工合成DNA

紫外线照射会导致遗传物质DNA的损伤。其中包括了腺苷酸，鸟苷酸，胞苷酸和胸腺核苷酸四个核酸的编码部分。不论是人类、细菌、植物还是病毒，这四个核酸都是构成生命和有机体的基本核酸序列，是所有生物的生命之源。波长254纳米的电磁波（紫外线波长的一部分）会导致胸腺嘧啶二聚体进入到DNA中。在两个胸腺核苷酸偶然相接触时，紫外线照射会在两个相互接触的碱基（热点）处形成环丁烷环（参见图1）。

这种紫外线诱导反应在两个诱导循环周期之后的结果就是：基因突变，遗传性基因发生了改变，并且显性表现出来。除了这些常见的变化之外，还会在DNA水平中观察到其他罕见的紫外线照射的影响（例如：GC 6.4产物）。

在认识到核酸可能出现的反应之后，人们就有了人工合成DNA的想法，人工合成一种在紫外线照射检测时含有大量相邻胸腺核苷酸的DNA分子。当紫外线照射了这些分子时，就会发生与照射剂量有关的环丁烷环。由此而测得的胸腺嘧啶二聚体量能够准确的反应紫外线照射剂量值。作为量化工具，可以使用qPCR定量聚合酶链反应法。在这种方法中，对DNA序列片段进行酶促扩增，在荧光剂的帮助下对初始DNA量（模板DNA）的传播动力学情况进行观察。在酶的分解作用下会中止胸腺嘧啶二聚体的增殖。这就可以在反应结束时得出所得的胸腺嘧啶二聚体的数量与减少的DNA分子扩增量之间的相关性。当qPCR定量聚合酶链反应的同时还有对紫外线照射不敏感的DNA分子也参与了反应，则会得到两个相当可靠的参考值。在qPCR定量聚合酶链反应法中用确定的紫外线剂量来照射DNA分子，并最终确定出相应的扩张量后，可以直接利用校准曲线来确定紫外线照射剂量。这种方法可以实现紫外线照射剂量的绝对值检测。为了获取大量的生物分子，需要克隆大量的多拷贝质粒，从大肠杆菌中大量克隆出来、分离、提纯，并按照规定的浓度等分的用于试验。

图2 DNA基紫外线传感器的校准线。随着剂量的增加qPCR的扩增量减少（每个检测点n=3）。

图3 基于DNA的UV紫外线传感器的原型（静态生物传感器）。

准确的测定紫外线剂量值的生物传感器

用紫外线照射生物分子，利用Heraeus公司研发生产的检测仪准确的记录下紫外线的照射剂量。按照qPCR定量聚合酶链反应法在0～1250Wsek/m2的范围内测量三个基本呈线性趋势的检测点。测定UVC短波紫外线剂量时，可以将生物分子置于硝化纤维表面、石英玻璃板、薄黄铜板和外部有橡胶涂层的支撑物中（参见图3）。这就允许生物传感器进行探测、进行个人剂量学检测或者进行UVC短波紫外线的剂量检测了。通过将检测数据反馈到实验室并进行qPCR定量聚合酶链反应的数据评估，可以在很短的时间内确定实际的UVC短波紫外线剂量了。直到数据分析时生物传感器的最短使用期限为3个月。生物传感器也可以呈雾化状态使用，并在紫外线分析系统的通道中获取分子，然后通过qPCR分析提供准确的照射剂量值。这也就使紫外线消毒设备的生产厂家第一次能够选择实际需要的紫外线照射剂量了。另外，也可以在一天时间内完成空气消毒系统的所有参数优化了。

（在线所示的）图6首次显示了UV消毒系统的镜像效果。虽然过去只是推测有这种可能，但在使用生物传感器之后就可以真实的看到实际UV紫外线剂量通过镜像而得到了明显的提高。像空气流量、风扇类型和镜像等也都可以在一天的时间内完成优化了。

本项目由联邦经济和技术部资助。

LP本刊提示

生物传感器原理

波长254纳米的电磁波（紫外线波长的一部分）会导致胸腺嘧啶二聚体进入到DNA中。在两个胸腺核苷酸偶然相接触时，紫外线照射会在两个相互接触的碱基（热点）处形成环丁烷环。本文介绍的生物传感器基于含有大量相邻胸腺嘧啶的人工合成DNA分子。当这些分子受到紫外线照射时，就会出现与照射剂量有关的环丁烷环。因此，胸腺嘧啶二聚体的量就提供了确定紫外线剂量的可能性。qPCR定量聚合酶链反应法就是确定紫外线剂量的量化工具。