我國(guó)電化學(xué)DNA納米生物傳感器和蛋白質(zhì)芯片生物傳感器研制成功

近日，我國(guó)科研人員在生物傳感器研究方面取得重要成果——中科院力學(xué)所和上海應(yīng)用物理所分別研制成功新型電化學(xué)DNA納米生物傳感器和蛋白質(zhì)芯片生物傳感器，其具有靈敏度高、特異性強(qiáng)、檢測(cè)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，研究均達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域顯示出廣泛的應(yīng)用前景。

在國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院和上海市科委的支持下，中科院上海應(yīng)用物理所近日研制出一種新型的電化學(xué)DNA納米生物傳感器(CDS)，這一生物傳感器具有高靈敏度和高特異性。日前，《美國(guó)化學(xué)會(huì)會(huì)志》(《JACS》)在7月號(hào)正式刊出該研究成果。

發(fā)展新型DNA檢測(cè)方法是后基因組時(shí)代的需求，諸如生物安全、人體健康(肝炎、艾滋病等)等領(lǐng)域都需要快速、便捷的DNA或RNA檢測(cè)技術(shù)。電化學(xué)技術(shù)具有快速、靈敏、低能耗、易于微型化和集成化等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是在時(shí)效、成本等有較高限定要求的場(chǎng)合實(shí)現(xiàn)DNA檢測(cè)的首選技術(shù)之一。

該電化學(xué)DNA納米生物傳感器是在中科院上海應(yīng)用物理所樊春海研究員的指導(dǎo)下由博士研究生張炯等人研制而成的。其特色是通過(guò)對(duì)電極界面納米尺度的精細(xì)調(diào)控，同時(shí)引入金納米粒子進(jìn)行電化學(xué)信號(hào)放大，從而顯著提高了DNA檢測(cè)的靈敏度。該生物傳感器可在1~2小時(shí)內(nèi)快速檢測(cè)到約兩萬(wàn)多個(gè)DNA分子，檢測(cè)靈敏度達(dá)到10飛摩爾/升(10fM)的DNA，超出常規(guī)熒光DNA檢測(cè)方法約3個(gè)數(shù)量級(jí)。研究人員也以一種與乳腺癌相關(guān)的BRCA-1基因序列檢測(cè)為模型，展示了該傳感器在進(jìn)行單堿基變異性檢測(cè)(即SNP分析)中具備高特異性。

而另一研究成果“蛋白質(zhì)芯片生物傳感器系統(tǒng)”及其實(shí)用化樣機(jī)，是由中科院力學(xué)所國(guó)家微重力實(shí)驗(yàn)室靳剛研究員領(lǐng)導(dǎo)的課題組，在中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程和國(guó)家自然科學(xué)基金的資助下經(jīng)過(guò)多年努力完成的。該研究將多種蛋白質(zhì)活性微列陣、生物分子特異結(jié)合性，與高分辨率橢偏光學(xué)成像技術(shù)相結(jié)合，提供了一種新型無(wú)標(biāo)記蛋白質(zhì)分析技術(shù)。在7月5日召開(kāi)的成果鑒定會(huì)上，鑒定組專家一致認(rèn)為，該蛋白質(zhì)芯片生物傳感器系統(tǒng)自動(dòng)化程度高、系統(tǒng)集成性強(qiáng)，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

蛋白質(zhì)芯片生物傳感器系統(tǒng)的特點(diǎn)在于，它使用單一非標(biāo)記試劑檢測(cè)靶分子，能夠更好地保持生物分子的活性，減少非特異信號(hào)的影響，提高蛋白質(zhì)分子相互作用檢測(cè)的靈敏度，實(shí)時(shí)、直觀地顯示檢測(cè)結(jié)果，并具有鑒別偽信號(hào)的功能。它在同一微流道蛋白質(zhì)芯片反應(yīng)器系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了蛋白質(zhì)溶液輸運(yùn)、蛋白質(zhì)芯片的制備和蛋白質(zhì)相互作用，具有48個(gè)獨(dú)立單元，可實(shí)現(xiàn)對(duì)多樣本、多指標(biāo)同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，有效減少了檢測(cè)時(shí)間和降低了樣品消耗。此外，使用該系統(tǒng)進(jìn)行蛋白質(zhì)樣品的檢測(cè)時(shí)，除試劑外，幾乎沒(méi)有芯片制作成本。

以乙肝五項(xiàng)指標(biāo)的檢測(cè)為例，采用目前臨床酶聯(lián)免疫逐項(xiàng)檢測(cè)方法，至少需要1天才能得到結(jié)果，而蛋白質(zhì)芯片檢測(cè)系統(tǒng)只需40分鐘，大大提高了檢測(cè)效率；傳統(tǒng)檢測(cè)方法至少需要幾毫升血液，而新系統(tǒng)采用了微流道蛋白質(zhì)芯片反應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)了高靈敏度光學(xué)無(wú)接觸、無(wú)擾動(dòng)、無(wú)標(biāo)記物的多元分子檢測(cè)，只需要幾十微升血液即可得到檢測(cè)結(jié)果，顯著降低了樣品的消耗。

由于高通量的優(yōu)勢(shì)，該蛋白質(zhì)芯片生物傳感器可應(yīng)用于蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)譜的檢測(cè)、疾病標(biāo)志物的識(shí)別和藥物篩選等領(lǐng)域。目前，已成功用于乙肝五項(xiàng)指標(biāo)同時(shí)檢測(cè)、腫瘤標(biāo)志物檢測(cè)、微量抗原抗體檢測(cè)、SARS抗體藥物鑒定、病毒檢測(cè)及急性心肌梗死診斷標(biāo)志物檢測(cè)等多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用前景廣泛。

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生物傳感器技術(shù)是近幾十年內(nèi)發(fā)展起來(lái)的一種新的傳感器技術(shù)，是將生物活性材料（酶、蛋白質(zhì)、DNA、抗體、抗原、生物膜等）與物理化學(xué)換能器有機(jī)結(jié)合的一門交叉學(xué)科，是發(fā)展生物技術(shù)必不可少的一種先進(jìn)的檢測(cè)方法與監(jiān)控方法，也是物質(zhì)分子水平的快速、微量分析方法。

生物傳感器較多應(yīng)用于醫(yī)藥、生物工程、環(huán)境保護(hù)、食品、農(nóng)業(yè)、畜牧等與生命科學(xué)關(guān)系密切的領(lǐng)域。例如，臨床上用免疫傳感器等生物傳感器來(lái)檢測(cè)體液中的各種化學(xué)成分，為醫(yī)生診斷提供依據(jù)；生物工程產(chǎn)業(yè)中用生物傳感器監(jiān)測(cè)生物反應(yīng)器內(nèi)各種物理、化學(xué)、生物的參數(shù)變化以便加以控制。

生物傳感器可以按照其感受器中所采用的生命物質(zhì)分為微生物傳感器、免疫傳感器、組織傳感器、細(xì)胞傳感器、酶?jìng)鞲衅?、DNA傳感器等；也可以按照傳感器器件檢測(cè)的原理分為熱敏生物傳感器、場(chǎng)效應(yīng)管生物傳感器、壓電生物傳感器、光學(xué)生物傳感器、聲波道生物傳感器、酶電極生物傳感器、介體生物傳感器等；還可以按照生物敏感物質(zhì)相互作用的類型分為親和型和代謝型兩種生物傳感器。