趙旭華+孟紅敏+龔亮+邱麗萍+張曉兵+譚蔚泓

摘 要 脫氧核酶（DNAzyme或DNA酶）是一類具有高效催化活性和特異性識別功能的DNA分子，可以通過體外篩選方式從隨機脫氧核苷酸單鏈庫中獲得，它具有催化效率高、特異性高、穩(wěn)定性好、合成簡單且修飾方便等優(yōu)點。脫氧核酶與納米材料的結(jié)合， 既保留了脫氧核酶的催化特性和識別能力， 又引入了納米材料的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)功能，實現(xiàn)了識別與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)功能的一體化，大大促進了生物傳感器的快速發(fā)展。本文主要介紹了金納米顆粒、石墨烯、量子點、磁性納米顆粒等納米材料結(jié)合脫氧核酶用于生物傳感的研究進展。

關(guān)鍵詞 脫氧核酶； 納米材料； 生物傳感器； 評述

1 引 言

納米材料是由粒徑小于100 nm的超細顆粒構(gòu)成的零維、一維、二維、三維材料的總稱。由于納米材料具有獨特的尺寸結(jié)構(gòu)，所以有著傳統(tǒng)材料不具備的一些特征[1]：（1）表面效應(yīng) 指隨著微粒粒徑的變小， 其表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比急劇增大， 從而引起納米微粒性質(zhì)的變化。由于這些納米微粒表面原子處于嚴重的缺位狀態(tài)， 使得它易與其它原子結(jié)合， 達到穩(wěn)定狀態(tài)，故具有很高的化學(xué)活性。（2）小尺寸效應(yīng) 指由于納米顆粒的尺寸變小所引起的光、力、熱、電、磁等宏觀物理性質(zhì)的變化。如納米顆粒的熔點遠低于塊狀金屬的熔點； 當金屬納米顆粒的直徑小于10 nm時，就會失去原有的金屬光澤，呈現(xiàn)出黑色。（3）量子尺寸效應(yīng) 指當顆粒的尺寸下降到納米級時，費密能級附近的電子能級就會由準連續(xù)態(tài)變?yōu)榉至⒛芗?，能級間的間距隨顆粒尺寸的減小而增大。當熱能、磁場能或電場能比平均的能級間距還小時，納米微粒就會呈顯出一些與宏觀物體截然不同的特性，如由導(dǎo)電的金屬制備的納米顆?？梢宰?yōu)榻^緣體。（4）宏觀量子隧道效應(yīng) 是指微觀粒子貫穿勢壘的能力。納米材料的這些特征使其表現(xiàn)出一系列獨特的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)、磁學(xué)以及催化性能[2，3]。目前， 納米材料已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于信息工程、能量儲存、生物傳感、分子器件及選擇性催化等研究領(lǐng)域， 并逐漸成為科研人員關(guān)注的焦點[4～7]。

脫氧核酶（DNAzyme或DNA酶）是一類具有高效催化活性和特異性識別功能的DNA分子，可以通過體外篩選方式從隨機脫氧核苷酸單鏈庫中獲得[8～12]。脫氧核酶可以催化DNA或RNA切割、DNA水解以及DNA連接等多類反應(yīng)[7，12～15]，但常見的脫氧核酶主要包括RNA切割型脫氧核酶與G四聚體脫氧核酶兩大類。與傳統(tǒng)蛋白酶相比，脫氧核酶具有以下優(yōu)點： 首先，它的穩(wěn)定性高，在較高溫度下其活性不受影響；其次，脫氧核酶的相對分子量比較小且具有很高的催化效率； 此外，脫氧核酶的合成簡單、修飾方便并且受酸度等環(huán)境因素影響比較小。脫氧核酶的上述優(yōu)點使其受到了越來越多研究者的關(guān)注，并且已被廣泛應(yīng)用于多個研究領(lǐng)域[16～20]。如脫氧核酶可以作為一種工具酶，用于細胞水平上的基因敲除，即特異性地使某一基因失活， 然后觀察該基因在細胞生理、生化中的作用，研究該基因的功能，以便用于抗病毒、抗腫瘤的基因治療[19，20]。由于具有高效催化活性和對輔因子依賴性的特異性識別功能，脫氧核酶也可用于生物傳感器的構(gòu)建[21～23]，但如何將脫氧核酶與目標物的識別信息轉(zhuǎn)化為可檢測的物理信號，一直是生物傳感研究領(lǐng)域的難點和熱點。

脫氧核酶與納米材料的結(jié)合既保留了脫氧核酶的催化特性和識別能力， 又引入了納米材料的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)功能，實現(xiàn)了識別和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)功能的一體化，有利于設(shè)計出高靈敏度、高選擇性及高效的生物傳感體系，從而為分析化學(xué)和材料科學(xué)的發(fā)展提供了新動力。基于上述優(yōu)點，脫氧核酶已與石墨烯、納米金、量子點和磁性納米顆粒等納米材料廣泛結(jié)合，發(fā)展了一系列新型生物傳感器。本文將圍繞各種新型納米材料在脫氧核酶生物傳感器中的應(yīng)用進行評述。

2 脫氧核酶-納米金復(fù)合物在生物傳感中的應(yīng)用

納米金顆粒（Gold nanoparticles， AuNPs）又稱膠體金或金溶膠，具有大的比表面積、高催化活性以及尺寸依賴的光學(xué)性質(zhì)等獨特的物理化學(xué)性質(zhì)[24]。納米金顆粒的制備技術(shù)與表面修飾技術(shù)的發(fā)展提高了它的穩(wěn)定性、水溶性和生物相容性，拓寬了其在生物分子標記和檢測、納米生物傳感器以及納米生物芯片等方面的應(yīng)用[25～27]。

2.1 基于脫氧核酶-納米金顆粒的比色型傳感器的研究

納米金顆粒是在比色傳感器中常用的一種信號探針，其表面等離子體效應(yīng)與自身粒徑的大小以及顆粒之間的距離有關(guān)。當納米金顆粒由分散狀態(tài)變?yōu)閳F聚狀態(tài)時，其顏色會由紅色變?yōu)樗{色或紫色?；谏鲜鲈恚?科研工作者發(fā)展了一系列比色型的脫氧核酶傳感器[28～33]。

Lu研究組[29]首次將DNAzyme通過SAu鍵共價修飾于納米金表面構(gòu)建了一種可用于檢測Pb2+的比色傳感器。如圖1A所示，底物鏈的兩端延長， 便于與金納米顆粒表面修飾的DNA以頭對尾的方式雜交。當不存在Pb2+時，底物鏈與酶鏈以及納米金表面修飾的DNA之間形成穩(wěn)定雜交，納米金顆粒團聚，溶液顯示藍色。當加入Pb2+后，底物鏈被切斷， 抑制了納米金的團聚，溶液顯紅色。該傳感器的檢出限為100 nmol/L，可用于油漆中Pb2+的檢測。然而該傳感器采用頭對尾的雜交方式會產(chǎn)生很大的空間位阻，因此需要復(fù)雜的加熱-冷卻過程。為了解決這個問題，該小組又采用了尾對尾的雜交方式， 降低了雜交產(chǎn)生的空間位阻， 并使反應(yīng)可以在室溫下進行[30]（圖1B）。此外，他們又引入了一段可與切割后的底物鏈片段雜交的DNA序列， 用于促進納米金的釋放，使得傳感器的響應(yīng)時間只需5 min[30]。由于上述DNA酶傳感器都需要將DNAzyme共價修飾在納米金表面，過程復(fù)雜、成本較高， 且耗時長，因此該小組又基于DNA酶切割底物鏈可產(chǎn)生單鏈DNA，而單鏈DNA能保護納米金顆粒在較高鹽離子條件下不會團聚，設(shè)計了一種非標記的比色傳感器用于Pb2+和UO2+2的檢測[32]（圖1C）。與此同時，Wang研究組[33]也報道了類似的無標記檢測Pb2+的比色型DNA酶傳感器。除此之外，Lu研究組[34]還基于脫氧核酶的催化連接活性， 設(shè)計了一種比色型傳感器， 用于Cu2+的檢測，該傳感器的背景干擾小，靈敏度高。上述結(jié)果表明，標記型傳感器需要較長時間進行預(yù)處理和制備，但是當制備好傳感器后更易endprint

圖1 DNA酶比色傳感器設(shè)計原理圖（A） 納米金以“頭對尾”的方式連接[29]；（B）納米金以“尾對尾”的方式連接[30]；（C）非標記策略用于引發(fā)納米金的團聚[32]

Fig.1 Schematic illustration of the DNAzyme based colormetric sensors. （A） Gold nanoparticles were aligned in a “head-to-tail” manner[29]； （B） Gold nanoparticles were aligned in a “tail-to-tail” manner[30]； （C） Label-free strategies of recognition-triggered aggregation state change of gold nanoparticles [32]于操作和檢測；而非標記型傳感器的靈敏度更高，且無需長時間制備、更加經(jīng)濟，然而在檢測過程中易受到離子強度及其它一些因素的影響。

2.2 基于脫氧核酶-納米金顆粒的熒光傳感器的研究

納米金顆粒除了可以作為信號報告基團用于比色分析外，還可用于熒光檢測。人們利用納米金顆粒作為熒光猝滅劑， 發(fā)展了一系列DNA酶熒光傳感器[35～38]。Wang等[35]設(shè)計了一條底物鏈與酶鏈一體化的探針，并將該探針通過SAu鍵共

圖2 A 基于納米金作熒光猝滅劑的DNAzyme熒光傳感器[36]； B 基于熒光偏振技術(shù)的DNA酶生物傳感器原理示意圖[38]

Fig.2 （A） Schematic illustration of DNAzyme-based fluorescent biosensors using gold nanoparticles as fluorescence superquencher[36] and （B） Schematic illustration of DNAzyme-based fluorescence anisotropy assay[38]

價修飾于納米金顆粒表面。由于標記在底物鏈末端的熒光團會靠近納米金，故熒光被猝滅。當加入Pb2+后， 底物鏈被切斷，標記有熒光團的部分底物片段游離出來，熒光得以恢復(fù)，從而實現(xiàn)了Pb2+的定量檢測（圖2A）。此外，Malashikhina等[36]發(fā)展了一種DNA酶與納米金結(jié)合的熒光生物傳感器， 用于抗壞血酸的檢測。Yin等[37]基于熒光偏振的方法設(shè)計了一種可以檢測金屬離子的DNA酶傳感器（圖2B）。標記有熒光團的底物鏈與共價修飾在納米金上的酶鏈雜交，由于大分子在溶液中運動慢，故熒光各向異性值大。Pb2+存在時， 底物鏈被切割，標有熒光團的部分底物片段與納米金分離，導(dǎo)致熒光各向異性值變小。然而， 上述傳感器都僅限于體外生物分子的檢測，構(gòu)建可高靈敏和特異性檢測體內(nèi)生物分子的脫氧核酶生物傳感器已成為近年來研究的熱點。Lu課題組基于金納米顆粒高的熒光猝滅率構(gòu)建了一種可檢測細胞內(nèi)UO2+2的生物傳感器[38]。DNA酶鏈共價修飾于納米金表面，底物鏈兩端分別標記有Cy3熒光團和BHQ猝滅團。當酶鏈與底物鏈雜交后，由于雙重猝滅作用，Cy3的熒光被有效猝滅。當加入UO2+2后，UO2+2催化底物鏈的RNA水解，從而使標記有熒光團的部分底物片段游離出來，熒光得到恢復(fù)。該熒光納米探針經(jīng)內(nèi)吞作用進入細胞后，可以實現(xiàn)活細胞內(nèi)UO2+2的成像檢測。

2.3 納米金顆粒作為信號放大基團在生物分析中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的檢測方法中，探針的一端只能標記一個生物分子，

其靈敏度受到限制。而納米金具有比較大的比表面積，作為探針載體其表面可標記多個生物分子，從而可以實現(xiàn)檢測信號的放大[39～42]。

圖3 基于樹枝狀納米結(jié)構(gòu)引發(fā)的放大傳感策略用于Pb2+檢測原理示意圖[40]

Fig.3 Schematic of the amplified sensing strategy of DNA-Au dendrimer-based SERS biosensor for Pb2+ detection[40]

本研究組發(fā)展了一種基于樹枝狀納米結(jié)構(gòu)信號放大技術(shù)的新型SERS傳感器[39]（圖3）。其底物鏈和酶鏈通過10個聚

T堿基連接在一起，且底物鏈的末端標記有巰基，可通過SAu鍵組裝在金電極表面。當加入Pb2+后，底物鏈中RNA堿基被水解，使其被切割為兩部分，與酶鏈連接的部分底物序列從金電極表面脫落下來，而金電極表面剩余的底物片段可與納米金標記的報告探針雜交，然后通過層層自組裝形成樹枝狀納米結(jié)構(gòu)，SERS信號得到顯著增強，從而實現(xiàn)Pb2+的高靈敏檢測。而Shen等[40]構(gòu)建了一種以DNA功能化納米金作為信號放大基團的DNA酶電化學(xué)傳感器。標記有巰基的DNA酶鏈首先被組裝在金電極表面，而報告DNA 探針標記在納米金顆粒表面，底物鏈則分別與酶鏈和報告DNA探針雜交形成三明治結(jié)構(gòu)。由于電活性物質(zhì)六氨合釕可以嵌入報告DNA 探針中從而獲得較大的電流信號。Pb2+的加入使得底物鏈被切斷，導(dǎo)致標記有報告DNA 探針的納米金顆粒從電極表面脫離，導(dǎo)致電化學(xué)信號減小，由此可以放大檢測Pb2+，與不用納米金放大基團相比，其靈敏度提高了5倍。

3 脫氧核酶-石墨烯復(fù)合物在生物傳感中的應(yīng)用

石墨烯（Graphene）是一種由碳原子通過sp2雜化構(gòu)成的單層蜂窩狀的平面薄膜，它可以折疊成零維的富勒烯，卷曲成一維的碳納米管或堆垛形成三維的石墨，因此石墨烯是構(gòu)成其它碳質(zhì)材料的基本結(jié)構(gòu)單元[43]。石墨烯具有比表面積大、機械強度高、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性好且表面修飾方便等優(yōu)點， 因而受到了很多科研工作者的關(guān)注。氧化石墨烯（GO）是石墨烯的衍生物，由于其表面含有很多羧基、羥基和環(huán)氧基等含氧活性基團，所以具有良好的水溶性和生物相容性。將石墨烯及其衍生物與脫氧核酶結(jié)合， 用于構(gòu)建高效的生物傳感器， 引起了科研人員的廣泛關(guān)注[44～49]。endprint

Wen等[44]利用氧化石墨烯對單雙鏈DNA的吸附能力不同， 設(shè)計了一種DNA酶熒光探針， 用于Pb2+檢測（圖4A）。不存在Pb2+時，由于雜交探針的剛性雙鏈結(jié)構(gòu)使其與氧化石墨烯之間的吸附力比較弱，所以底物鏈上標記的熒光團的熒光不能被猝滅； 加入Pb2+后，底物鏈中RNA堿基被水解，使其被切割為兩部分，此時標記有染料的部分底物片段與酶鏈解鏈并游離出來。由于游離的底物片段與氧化石墨烯之間吸附能力強，因此染料的熒光被猝滅，從而實現(xiàn)了Pb2+的定量檢測。由于上述傳感器是猝滅型的DNA酶傳感器，其檢測的靈敏度受到限制。為了提高傳感器的靈敏度，本研究組[45]基于氧化石墨烯對不同長度的單鏈DNA具有不同的吸附能力， 設(shè)計了一種熒光增強型的DNA酶生物傳感器， 用于Pb2+的高靈敏檢測（圖4B）。由于底物鏈和酶鏈的雜交探針中含有一段單鏈DNA序列，故該探針可以吸附在GO上，并使底物鏈5′端標記的熒光團靠近GO，導(dǎo)致熒光被猝滅。Pb2+的加入使DNA酶的催化活性被激活，底物鏈被切割為兩段。標記有熒光團部分底物片段（5個堿基）與酶鏈解鏈。釋放出的酶鏈可繼續(xù)與未反應(yīng)的底物鏈雜交，同時誘發(fā)下一輪反應(yīng)。如此循環(huán)， 傳感體系中就含有很多標記有熒光團的短鏈DNA。加入GO后，由于短鏈DNA與GO的結(jié)合力弱，故熒光團遠離GO，其熒光不被猝滅。該傳感器的靈敏度高，其檢出限為300 pmol/L。此外，Yu等[46]基于氧化石墨烯可以增強熒光各向異性的策略發(fā)展了一種DNA酶傳感器。上述傳感器雖然靈敏度比較高，但是底物鏈都需要標記熒光團，故合成復(fù)雜且成本較高?；诖?，Liu等[47]將核酸嵌入劑GelRed和氧化石墨烯結(jié)合構(gòu)建了一種非標記的DNA酶熒光傳感器， 用于Cu2+的檢測。除了基于DNAzyme的催化作用檢測其輔助因子外，DNAzyme

Fig.4 （A） schematic illustration of graphene-DNAzyme-based fluorescent turn-off biosensors[44] and （B） schematic illustration of graphene-DNAzyme based fluorescent turn-on biosensors[45] 在基因治療中也顯示出巨大的潛力。Kim等[48]利用氧化石墨烯作為載體將標記有熒光團FAM的DNA酶非共價吸附在石墨烯上， 并用于細胞內(nèi)丙型肝炎病毒（HCV）基因的檢測與沉默。

石墨烯除了可與RNA切割型脫氧核酶結(jié)合設(shè)計生物傳感器外，也可與G四聚體脫氧核酶結(jié)合設(shè)計一些生物傳感器[49～51]，從而進一步拓寬可檢測靶分子的類型，豐富傳感器的設(shè)計模式。Luo等[50]將可識別目標序列的探針DNA與G-四聚體序列整合到一條鏈上，沒有目標物存在時，探針DNA通過π-π鍵的相互作用吸附在GO上，從而使G四聚體-魯米諾復(fù)合體靠近GO，導(dǎo)致化學(xué)發(fā)光信號很弱； 加入目標DNA后，目標DNA與探針DNA雜交形成雙鏈剛性結(jié)構(gòu)，從而遠離GO， G四聚體-魯米諾復(fù)合體的化學(xué)發(fā)光信號增強，由此可以定量檢測目標DNA。為了進一步提高傳感器的靈敏度，Yuan等[51]將功能化的石墨烯作為G四聚體-Hemin復(fù)合體的納米載體， 設(shè)計了一個可以放大檢測凝血酶的電化學(xué)傳感器。

4 脫氧核酶-量子點復(fù)合物在生物傳感中的應(yīng)用

量子點（Quantum dots， QDs） 又稱為半導(dǎo)體納米晶，通常是由Ⅱ～Ⅵ或Ⅲ～Ⅴ族元素組成的新型半導(dǎo)體納米材料， 直徑在2～10 nm，由于電子和空穴被量子限域，其連續(xù)能帶結(jié)構(gòu)變成分立能級結(jié)構(gòu)，故受激發(fā)后可以產(chǎn)生熒光。與傳統(tǒng)有機染料相比，量子點具有激發(fā)譜帶寬、發(fā)射波長可調(diào)、發(fā)光壽命長、熒光量子產(chǎn)率高及光化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)良的光學(xué)特性[53～56]，并成為化學(xué)與生物傳感領(lǐng)域中很有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N熒光納米材料。目前，研究人員將脫氧核酶與量子點結(jié)合并在生物分析領(lǐng)域做了一系列工作[57～59]。Wu等[57]利用發(fā)光為530 nm和625 nm兩種量子點構(gòu)建了可同時檢測Pb2+與Cu2+的DNA酶熒光傳感器（圖5A）。具體檢測原理是標記有猝滅團的底物鏈共價修飾到量子點表面，而同樣標記有猝滅團的DNA酶則與底物鏈雜交，由于量子點與猝滅團靠近， 發(fā)生熒光共振能量轉(zhuǎn)移， 導(dǎo)致量子點的熒光被猝滅。當加入目標物后，DNA酶的催化活性被激活， 并將底物鏈上RNA堿基水解，使其被切割為兩部分，故猝滅團遠離量子點，量子點的熒光恢復(fù)，實現(xiàn)了Pb2+與Cu2+的同時檢測。與傳統(tǒng)的熒光染料相比，靈敏度分別提高了50倍和70倍。Sharon等[58]則基于G-四聚體脫氧核酶與血紅素結(jié)合后可以通過電荷轉(zhuǎn)移猝滅CdSe/ZnS量子點熒光， 設(shè)計了一種可以檢測DNA和腺苷的熒光傳感器（圖5B）。

圖5 基于脫氧核酶與量子點結(jié)合的生物傳感器檢測原理圖[57，58，60]

Fig.5 Schematic illustration of DNAzyme-quantum dots-based biosensors[57，58，60]

除了可以利用量子點的熒光性質(zhì)設(shè)計生物傳感器外， 也可以利用其電化學(xué)性質(zhì)檢測多種目標物[60～62]。 Zhang等[60]利用標記有鏈霉親和素的PbS量子點與DNA酶結(jié)合， 構(gòu)建了一種高靈敏的電化學(xué)生物傳感器（圖5C）。Pb2+的存在激活了DNA酶的活性，故底物鏈被切割為兩段并游離出來。游離出來的標記有生物素的底物鏈片段可與組裝在金電極表面的捕獲探針雜交，然后標記有鏈霉親和素的PbS量子點通過親和素與生物素的特異性識別作用被固定在電極表面，最后通過電化學(xué)溶出法就可以測定Pb2+含量，其檢出限為0.6 nmol/L。Tang等[61]將量子點作為標記物并利用滾環(huán)擴增原理設(shè)計了一種可高靈敏檢測Pb2+的電化學(xué)型DNA酶傳感器。此外，量子點還可以與脫氧核酶結(jié)合作為一個信號放大基團用于其它物質(zhì)的檢測。如Zhang等[62]將PbS量子點標記在二抗上，有目標物AFP存在時，PbS量子點就可以通過夾心結(jié)構(gòu)固定在標記有一抗的微孔板中。然后量子點中的Pb2+可以通過酸溶出法釋放出來，被釋放的Pb2+就可以激活組裝在電極表面的DNA酶的活性并使底物鏈被切割，導(dǎo)致標記在酶鏈上的電化學(xué)活性物質(zhì)二茂鐵靠近電極并產(chǎn)生強的電化學(xué)信號，從而實現(xiàn)了AFP的高靈敏檢測。endprint

5 脫氧核酶-磁性納米顆粒復(fù)合物在生物傳感中的應(yīng)用

磁性納米材料是20世紀80年代出現(xiàn)的一種新型納米材料，由于其具有優(yōu)異的磁學(xué)性能、良好的生物相容性以及簡單的表面修飾等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于臨床診斷、磁共振成像、細胞分離以及生物檢測等各個領(lǐng)域[63～65]。磁性納米顆粒與脫氧核酶結(jié)合在生物傳感中也得到了廣泛應(yīng)用[66～71]。Nie等[66]基于流式細胞計數(shù)法構(gòu)建了一種DNA酶生物傳感器， 用于Pb2+的檢測（圖6A）。其中GR-5DNAzyme的一端標記有熒光團，另一端則共價修飾于磁珠上，加入Pb2+后，兩端標記有猝滅團的底物鏈被切割并與酶鏈分離，致使傳感器的熒光恢復(fù)，由此可以定量檢測Pb2+。

使用流式細胞計數(shù)法可以降低Pb2+檢測過程中光散射造成的干擾。Ge等[67]將捕獲探針共價修飾于磁珠上，Cu2+的存在使底物鏈被切割為兩段，其中的一段底物片段就可以作為催化劑引發(fā)兩條信號探針在磁珠上的自組裝，

圖6 基于脫氧核酶與磁性納米顆粒結(jié)合的生物傳感器檢測原理圖[66，68]

Fig.6 Schematic illustration of DNAzyme-magnetic bead based biosensors[66，68]

最后通過SYBR Green Ⅰ嵌入核酸雙鏈實現(xiàn)Cu2+的無酶、無標記熒光放大檢測。該傳感器設(shè)計簡單、花費低廉且靈敏度高，其檢出限是12.8 pmol/L。除了利用RNA切割型脫氧核酶設(shè)計生物傳感器外，也可基于G四聚體脫氧核酶的信號放大作用設(shè)計一些高靈敏度的傳感器。Du等[68]在磁性納米顆粒上共價修飾了可卡因核酸適配體的一個片段，當有可卡因存在時，與另外一條連接有G四聚體脫氧核酶的核酸適配體片段形成夾心復(fù)合物，然后通過磁性分離與脫氧核酶催化TMB顯色來比色檢測可卡因（圖6B）。Tang等[69]則依據(jù)上述夾心法原理并采用滾環(huán)放大策略擴增G四聚體脫氧核酶片段最后實現(xiàn)PDGF的超靈敏檢測。磁性納米顆粒的磁性富集和分離功能可以有效的降低背景信號，實現(xiàn)目標物的高靈敏檢測，此外還可以減少實際樣品中非目標物的干擾。

6 脫氧核酶-其它納米材料復(fù)合物在生物傳感中的應(yīng)用

脫氧核酶除了與上述幾種納米材料結(jié)合外，其它納米材料如水凝膠、樹枝狀DNA納米材料等也可以用來

圖7 基于脫氧核酶與水凝膠結(jié)合的生物傳感器檢測原理圖 [73]

Fig.7 Schematic illustration of DNAzyme-hydrogel-based biosensors [73]

與DNA酶結(jié)合發(fā)展各種生物傳感器[72～74]。例如Lin等[72]利用DNA酶為水凝膠的交聯(lián)劑構(gòu)建了可檢測金屬離子的傳感平臺（圖7）。當存在Cu2+時，水凝膠從凝膠狀態(tài)變?yōu)槿苣z狀態(tài)，此時包裹在凝膠中的納米金被釋放出來，因此可以根據(jù)納米金的釋放量來比色檢測Cu2+。本研究組[73]將DNA酶通過堿基互補組裝在DNA樹枝狀納米材料中，并構(gòu)建了生物相容性好、膜穿透能力強、高靈敏、高選擇性的熒光納米探針，實現(xiàn)了細胞內(nèi)組氨酸的成像檢測。

7 總結(jié)與展望

生命科學(xué)與納米材料是21世紀最前沿的兩大學(xué)科，納米材料的介入為生物傳感器的發(fā)展提供了無窮的空間。目前基于脫氧核酶和納米材料結(jié)合的生物傳感器已經(jīng)得到快速的發(fā)展，并深入到多個分析領(lǐng)域，展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。但是要進一步將其用于臨床和實際檢測，還有許多方面有待優(yōu)化。

首先，當前大部分文獻報道的傳感器都僅限于在緩沖溶液中檢測，沒有真正應(yīng)用到實際樣品及生物體內(nèi)。事實上，在實際環(huán)境檢測和醫(yī)療診斷中其樣品成分非常復(fù)雜，故DNA酶傳感器在實際應(yīng)用中其性能容易受生物介質(zhì)的干擾。因此，可以考慮將DNA酶組裝在介孔納米材料的內(nèi)部，從而進一步減少生物樣品分析中核酸酶等非目標組分的干擾。其次，將DNA酶傳感器用于體內(nèi)生物分子檢測時，納米材料的生物安全性是需要考慮的問題。因此需要研發(fā)新型安全無毒的納米材料作為DNA酶的運載體。DNA作為一種天然生物分子，具有良好的生物相容性，將DNA納米材料如四面體DNA和DNA納米花等作納米載體用于構(gòu)建DNA酶傳感器可以降低載體對細胞或組織的毒性，從而推進傳感器真正應(yīng)用于臨床檢測。最后，目前用于傳感器設(shè)計的DNA酶主要是RNA切割型脫氧核酶與G四聚體脫氧核酶，其檢測目標范圍有限。如果研究和篩選針對更多特定靶分子的脫氧核酶并將其用于傳感器的構(gòu)建，可以大大拓展脫氧核酶傳感器的適用范圍。隨著研究的不斷深入，脫氧核酶與納米材料結(jié)合的生物傳感器將被廣泛應(yīng)用于臨床診斷、環(huán)境檢測與食品安全等與生活息息相關(guān)的領(lǐng)域。

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