电化学DNA生物传感器及其应用的专利技术分析

代明珠

【摘 要】本文介绍了电化学DNA生物传感器的技术背景，阐述了电化学DNA生物传感器在国内外、以及国内高校与企业之间的申请量分布情况，并对申请情况进行统计分析，同时对电化学DNA生物传感器的工作原理，及其在疾病诊断、环境检测方面的应用分支做了介绍。

【关键词】电化学DNA生物传感器；申请量分布；疾病诊断；环境检测

中图分类号： TP212.3 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）17-0012-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.17.005

【Abstract】This article describes the electrochemical DNA biosensors，describes the distribution of applications of electrochemical DNA biosensors at home and abroad，and the distribution of applications between universities and enterprises in China，and statistical analysis of the application status，at the same time，The working principle of the sensor and its application in disease diagnosis and environmental testing are introduced in this article.

【Key words】Electrochemical DNA biosensors；Application；Disease diagnosis；Environmental

1 背景

DNA生物传感器[1]是一种能将目标DNA的存在转变为可检测电信号的分析测试装置。自1962年，Clark首次提出将传感器与生物联用的设想，Upkike和Hicks在1967年研制成功第一个生物传感器以来，有关DNA生物传感器的研究内容就逐渐丰富，不仅体现在传感器性能方面逐渐优化，而且更重要的是在其应用方面的逐渐扩展。到目前为止，DNA生物传感器已引起生物医学、环境科学、食品工程等领域科学家的重视。根据换能器转化信号的原理不同，可将DNA生物传感器分为质量敏感性DNA生物传感器，光学生物传感器和电化学生物传感器，其中电化学DNA生物传感器是从20世纪90年代中期开始发展起来的一种新的传感器，其又称为生物电极，近几年来，科学家对电化学DNA生物传感器的研究取得了巨大进步，研制了许多性能和种类优良的电化学生物传感器，使得它的分析测试成本更加低廉，检测范围大大拓宽，功能更加强大，在目前的传感器中占据首要地位。

2 电化学DNA生物传感器其应用方面的专利申请分布的分析

2.1 电化学DNA生物传感器的工作原理

电化学DNA生物传感器[2]一般由一个固定有单链探针DNA片段的电极（包括金电极、玻碳电极、热解石墨电极和碳糊电极等）和检测用电活性杂交指示剂构成。杂交指示剂在电化学DNA传感器中起信号传递作用，是一类具有电活性的物质，能选择性区分单链DNA和双链DNA。将DNA探针修饰到电极表面，由于电极上的探针DNA与溶液中的互补链（靶序列）杂交的高度序列选择性，使得DNA修饰的电极具有极强的分子识别能力。DNA探针分子与靶序列杂交，在电极表面形成双链DNA，从而导致杂交前后的电极表面结构的改变，这种杂交前后的差异可用杂交知识剂来识别，从而达到检测的目的。杂交指示剂必须能选择性地与单链和双链DNA结合，其结合方式有三种基本模式：（1）指示剂分子与DNA分子的带负电荷的脱氧核糖-磷酸骨架支架通过静电作用而相互结合，即静电结合；（2）指示剂分子依靠碱基的疏水作用在沟面与DNA分子相互作用而结合，即面式结合；（3）指示剂分子依靠氢键、范德华力和堆积作用插入DNA分子双螺旋的碱基对之间，即插入作用。

电化学DNA生物传感器的工作过程为：一是DNA探针的固定；二是杂交过程；三是杂交信号的指示；四是电化学信号的检测。探针DNA在电极表面的固定及杂交指示剂的选择和运用是电化学DNA生物传感器制备步骤中的关键步骤，也决定了传感器的最终性能。

2.2 电化学DNA生物传感器应用方面的专利申请分布的分析

我们统计了自2001年到2018年电化学DNA生物传感器在应用方面的专利申请，经过分析发现在2001-1010年的电化学DNA生物传感器应用的专利申请量增长比较缓慢，之后从2010年开始专利申请量开始有了飞跃性的发展，这也说明电化学DNA生物传感器是一个新兴的领域，在未来有着广泛的应用前景。而从专利申请在高校和企业方面的分布情况方面来分析，可以发现高校研究所申请占总申请量的77.52%，这也说明电化学传感器属于新兴的领域，现在主要还处在研究阶段，大部分还没有进入实际生产应用阶段，这也给它的应用发展提供了广阔的前景。而从高校分布方面来说，现在国内申请量较高的主要是上海大学，济南大学，中科院、以及青岛大学等。生物传感器属于多学科和技术的交叉领域，近年来，得益于材料科学、生命科学和纳米技术、半导体微加工技术、电子技术的快速发展。生物传感器无论在基础研究、还是应用开发方面都取得了很大的进展。尤其是在基因研究方面的应用大概占了总申请量的三分之一，然后依次是疾病诊断和重金属检测方面的应用，即其应用主要集中在三个方面，生物科学、医疗保健、环境监测。

2.2.1 电化学DNA生物传感器在疾病诊断上的应用

核酸是当代新药发展的首选目标，基于许多药物与核酸之间的可逆作用，电化学DNA生物传感器主要用于一些DNA结合药物的检测以及新型药物分子的设计方面，现有技术中主要通过将药物或修飾在DNA电极上，实现对抗生素类药物等的检测[3]。癌症的早期诊断、早期治疗是提高癌症患者生存率的关键。肿瘤标志物的检测可反映肿瘤的生物学特性，在治疗、辅助诊断、判断预后均有重要意义，目前的肿瘤标志物的临床间的方法很多，如酶免疫法，放射免疫法等，但其都存在着不足，如酶免疫法中酶容易失活，放射免疫法中放射性污染严重，电化学DNA生物传感器由于灵敏度高，特异性好，操作简单被广泛引用。济南大学目前研究了胃癌抗原，肿瘤标记物[4]等的DNA传感器的制备及应用。

2.2.2 电化学DNA生物传感器在环境检测上的应用

人类的吃穿住行等生产生活都离不开自然环境，如果生态环境遭到破坏，势必会影响人类本身，利用电化学DNA生物传感器可以监测环境中的各种病原微生物，如水中的联苯、道诺霉素和黄曲霉毒素，肼类化合物和有毒芳胺化合物，重金属离子如汞离子、银离子、铅离子、钾离子等。

重金属离子的污染对人体具有相当大的危害，常规的检测重金属离子的方法有原子发射，冷原子荧光和原子吸收光谱法等，这些检测方法所需的仪器设备较大，必须配备有专门的仪器操作人员，而且待测样品需要经过繁琐的预处理过程，成本较高，不适合于对实际环境的检测。由于重金属离子与两个胸腺嘧啶碱基之间具有高度的特异性相互作用和酶催化信号放大技术，这给通过电化学DNA生物传感器对重金属离子进行检测提供了可能。如汞可选择性地同胸腺嘧啶-胸腺嘧啶结合，形成T-Hg2+-T结构；铅可选择性的同胸腺嘧啶-胸腺嘧啶结合，形成T-Pb2+-T结构；银可选择性的同胸腺嘧啶-胸腺嘧啶结合，形成T-Ag+-T結构。基于此设计了许多基于DNA的电化学传感器，用于检测溶液中的Hg2+、Pb2+、Ag+等。湖南大学在这方面的研究走在前端，其分别研究了基于电化学DNA生物传感器分别用于检测水体中痕量汞[5-6]、水体中的铅[7]，中国科学院长春应用化学研究所研究了基于电化学DNA生物传感器用于检测水体中银离子[8]。

3 总结与展望

本文针对电化学DNA生物传感器的工作原理，及其在医学领域、基因分析和环境检测等角度对现有专利进行了分析，从申请时间、申请人分布情况，应用领域分布的角度对专利的大致分布情况进行了分析，以具体专利分析的形式进行了说明。随着我国在自主创新能力的增强，知识产权意识的增强，了解相关领域的专利趋势，对电化学DNA生物传感器的发展，及其在产业化生产应用方面的发展具有一定的指导和借鉴作用。现如今用到的电化学DNA生物传感器对待测物质的检测更加迅速、选择性、灵敏度更好，试验中所需要的仪器设备也更加简单，测试成本大大降低，检测结果也更加准确，为人类的发展做出了巨大的贡献。然而随着科学技术的发展和人类生产生活的进步，对电化学DNA生物传感器提出了更高，更严峻的挑战，应用前景也更加广阔。主要体现在应用领域的不断拓展，传感器设计的优化，电化学分析检测方法的优化，以及与其他分析检测手段联用等方面。

【参考文献】

[1]Drummond T.G，Hill M.G，Barton J.K.Electrochemical DNA sensors[J].Nature Biotechnology.2003，21（10）：1192-1199.

[2]毛斌，韩根亮，等.DNA电化学生物传感器的原理与研究进展[J].化学传感器，2009，29（1）：9-15.

[3]Erdem A.，Ozsoz M.Electrochemical DNA Biosensors Based on DNA-Drug Interactions[J].Electroanalysis.2002，14（14）：965.

[4]公开号：CN104155445A，申请人：济南大学，申请日：2014年07月14日.

[5]公开号：CN102706940A，申请人：湖南大学，申请日：2012年10月03日.

[6]公开号：CN104535626A，申请人：济南大学，申请日：2015年04月22日.

[7]公开号：CN104020204A，申请人：湖南大学，申请日：2014年09月03日.

[8]公开号：CN1525163A，申请人：中国科学院长春应用化学研究所，申请日：2004年09月01日.