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数量:12 (1)DOI: 10.37532 / 0974 - 7540.22.12.1.231

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dna电化学生物传感器Label-Free:从概念到应用程序

*通信:

詹姆斯•斯坦
编辑部,电化学的研究和评论,英国
电子邮件:publisher@tsijournals.com

文摘

脱氧核糖核酸(dna)作为优秀生物材料建立一个范围的生物传感器通过dna之间的相互作用生物分子或化学物质。基于dna的电化学生物传感器以优异的灵敏度和选择性广泛用于生化分析由于其易于操作,快速反应,廉价的成本。然而,大多数基于dna的电化学生物传感器涉及电活性化学物质的标记或在dna纳米材料信号读出元素,这不可避免地导致复杂的操作和高成本。Label-free dna电化学技术解决方案生物传感器不需要额外的分析化学物质或耗时的过程。因为它的简单性和低成本,基于dna的label-free电化学生物传感器的兴趣研究人员作为一个潜在的分析工具。基于dna的label-free电化学的概念和应用若设备,包括异构和均匀模式与不同的放大技术,已经被广泛讨论和回顾了在这个研究。此外,目前dna label-free电化学的局限性和未来前景生物传感器进行了讨论。

关键字

Label-free电化学生物传感器;DNA;生化分析;临床诊断

介绍

电化学生物传感器已经由电转导组件结合生物识别元素。一方面,电子组件提供高性能电化学若平台检测目标分子具有高度的敏感性和快速反应。biorecognition组件,另一方面,有助于的选择性生物传感器通过特定的生物分子识别。这些优势使电化学生物传感器广泛应用于各种学科,包括生化分析、环境监测、食品安全控制,等等。dna是遗传信息的持有者在指导和服务关键角色众多生物遗传的生物过程为基础材料。此外,DNA已经演变成一个有效的构建块的小说在生物传感器设备技术的发展,基于DNA的电化学的发展生物传感器加速在过去的13年。大多数DNA生物传感器是基于一个dna碱基序列的杂交互补链。此外,功能性DNA DNA寡核苷酸适配子和DNAzymes等可用于构建高度选择性的DNA生物传感器。DNA寡核苷酸适配子是单链核酸或肽分子由体外系统的选择进化的配体。结合electroanalytical方法的灵敏度和固有bioselectivity dna的生物组件,基于dna的电化学生物传感器简单的优点,快速响应,低成本、高灵敏度、小型化和低力量和体积的要求,开发了各种生物分子检测,包括核酸(如DNA和RNA)目标和non-nucleic酸的目标。核酸检测的目标主要是依赖于开发基于沃森克里克碱基配对的双螺旋结构,而匹配寡核苷酸适配子通常用于非dna的高亲和力和特异性识别目标。传统的基于dna的电化学生物传感器,另一方面,有时也需要电活性分子的标记或纳米材料信号读出组件,从而增加复杂性和潜在损害生物分子的功能。此外,标签需要时间和努力。合成DNA电化学信号的成本分子标记太高了。此外,一个氧化还原标签(例如,二茂铁和亚甲蓝)通常是单个生物分子标记,导致电化学信号弱和bioaffinity下降。需要增加效率和便携式医疗点(POC)测试创造了经典的基于dna电化学生物传感器的新障碍。因此,label-free技术提供了吸引人的选择基于dna的电化学加工的生物传感器在生物分子分析。

基于dna label-free电化学生物传感器是建立在目标核酸分子的内在electroactivity或检测电化学信号的变化与电活性分子的杂化反应不使用标签在DNA探针或目标分析物。Label-free技术主要是依靠早期的dna电化学生物传感器的发展,特别是采用鸟嘌呤电化学氧化信号。嘌呤鸟嘌呤(G)和腺嘌呤(A)已被证明氧化积极的潜力大大低于嘧啶胸腺嘧啶(T)和胞嘧啶(C), Paleek,例如,最早实现DNA检测通过直接氧化汞电极下降的鸟嘌呤。之后,同一组进行了一系列的研究项目的创建奠定了基础label-free DNA电化学生物传感器。此外,王设计了众多label-free电化学检测DNA杂交技术基于固有的氧化还原活性目标鸟嘌呤。使用电化学活性化合物的制造dna label-free生物传感器近年来日益流行。事实上,在传统label-free生物传感器,电化学活性化合物显示三种状态:直接添加到解决方案,改变电极表面,并结合DNA通过静电探针接触或夹层。LD乐动体育官网许多实验已经进行到目前为止为了创建label-free修饰电极的电化学检测。古丁等人宣布发明自组装单层(SAM)电极改性的技术,允许分子的控制接口。非特异性DNA或指示器的不必要的吸附分子在金电极可以减少使用thiol-linked DNA探针山姆。直接通过双链DNA电荷转移(dsDNA)取得DNA碱基对不匹配相结合的检测与DNA氧化还原intercalators山姆金电极。Dharuman和哈恩发现短链烷烃在HS-ssDNA /稀释剂稀释剂二元和三元混合单层可以控制非特异性DNA-Au交互以及DNA杂交歧视label-free电化学效率生物传感器在特定intercalators dsDNA。此外,信号放大等技术工具enzyme-based等温扩增,DNA链位移reaction-based enzyme-free放大,nanomaterial-based信号放大,和其他人被用来增加label-free电化学若的敏感性。值得注意的是,除了单模信号放大,多个甚至三倍信号放大方案开发提高灵敏度。

聚合酶链反应(PCR)是众所周知的传统和基本方法敏感的核酸检测和量化,为分子诊断是至关重要的。聚合酶链反应使用凝胶技术已经从端点进行分析电泳实时荧光定量聚合酶链反应(qPCR)和数字聚合酶链反应(dPCR),发现从相对和绝对定量定性分析,分别。下一代测序(上天)技术已经进化由于基因工程的发展,他们可能给可靠和准确的基因组序列信息的各种生命科学,包括DNA / RNA序列、表观遗传学、宏基因组,等等。很多门店设备,如离子激流个人基因组机,现在在使用(PGM)。通过指数浓缩(SELEX)。总的来说,基于dna的label-free电化学生物传感器不仅消除耗时的标签过程和减少实验时间,但他们也没有影响的物理和化学特性的分子,保护分子间的亲和力和分子活动。与此同时,label-free方法可以防止干扰产生的第二检测标签的化学物质和增加电化学分析的灵敏度。此外,电化学仪器的灵活性和成本基于label-free检测启用生物分子检查在一个分散的情况下,比如在护理点。因此,基于dna label-free电化学生物传感器得到很多感兴趣的生物分析、现场即时诊断、生物医学。一些评论已经发表在dna电化学生物传感器,其中绝大多数关注标签的技术信号读出。虽然dna电化学label-free解决方案生物传感器已经在某些出版物引用,没有出版审查提供了一个明确而完整的介绍以及一个关键的评估基于dna label-free电化学生物传感器。我们介绍和概述基于dna的label-free电化学的概念和用途生物传感器在本研究异构和均匀模式。我们还讨论了目前的局限性和未来前景的dna label-free电化学生物传感器。

Label-free电化学生物传感器基于异构DNA

异构(固相)dna label-free电化学生物传感器通常表现在电极表面与DNA探针固定化生物识别元素,分析物的检测将DNA结构和电化学性能的变化转换成一个电信号,当分析物与DNA探针固定在异构交互界面。异构label-free电化学的固定化DNA生物传感器提供了许多优点,包括可重用性,低样品消耗,和优秀的敏感性。

使用模拟酶

自然protein-assisted酶放大通常是用来提高检测灵敏度,但他们的应用程序是有限的由于有问题的存储和一个费力标签的过程。对标准自然酶模拟酶有明显的好处,如结构简单、稳定的特点,易于生产。到目前为止,不同的模拟酶,如porphyrin-based酶(插入到槽带负电荷的dsDNA)和DNAzymes(由G-quadruplex),已报告是用于构建DNA label-free电化学DNA生物传感器具有良好的稳定性和灵敏度高。

使用纳米材料

纳米材料有其独特的优势,如高表面体积比和杰出的电特性,并可能被用作电极修饰材料以及运营商的信号组件。更有趣的是,由于他们的氧化还原特性,模拟酶活性,和特定的电气性能,一些材料,如高贵的金属纳米颗粒,作为信号分子可以直接使用。因此,纳米材料已经成为有前途的选择label-free电化学的发展生物传感器探测范围广泛的生物分子的能力。

电化学生物传感器基于齐次label-free DNA

label-free电化学生物传感器开发了基于DNA同质。immobilization-free技术鼓励创建简单而高效均匀dna label-free电化学生物传感器之间的绑定效率更高目标和识别探针和更快的响应速度比固相的解决方案。类似于异构化验,信号均匀电化学分析生成DNA与电活性分子的链接,让电活性探针从解决电极表面扩散。此外,同质反应减少分离和洗涤阶段,导致低成本和伟大的扩增效率。因此,各种immobilization-free电化学若方法DNA检测出现了。到目前为止,越来越多的研究者致力于发展中均匀dna label-free电化学生物传感器对于生物分析法更适合POC的应用程序。

基于dna label-free电化学生物传感器的可靠性

在生物领域的调查,基于dna label-free电化学生物传感器已被证明是非常可靠的。首先,提高检测精度和灵敏度是通过使用信号放大技术(例如exonuclease-assisted催化目标DNA回收放大、RCA、HRCA, HCR, CHA EXPAR生产DNA label-free生物传感器)。此外,基于dna label-free电化学生物传感器表现出显著的选择性探测多种分析物。核酸的检测主要是依赖于建立一个基于沃森克里克碱基配对双螺旋结构,它允许高选择性。更重要的是,相比immobilization-based电化学生物传感器,immobilization-free技术消除复杂的探测器固定过程,使它们具有成本效益和简单的应用。然而,由于在齐次label-free电化学产生的信号若平台主要是依赖于扩散从解决电极表面的电活性探针,他们经常和异构平台相比,敏感性和特异性较低。

结论和观点

我们概述了dna label-free电化学的概念和进展生物传感器在这项研究中通过强调各种实例来自异构和均匀。基于dna label-free电化学生物传感器已经证明是有效的方法领域的生物分析法因其易于操作的好处,快速反应,低没有额外的检测试剂,成本和缺乏耗时的过程。尽管有这些巨大成就,仍有一些障碍需要克服生产label-free电化学生物传感器,从分析性能的应用程序。首先,在label-free电化学若平台,尤其是在均匀模式,取决于信号生成频繁扩散电极表面的电活性探测解决方案,导致非常贫穷的敏感性。因此,功能nanomaterials-modified电极和信号放大技术的调查应该提高检测灵敏度。其次,大多数dna label-free电化学生物传感器目前用于体外、体内和原位试验是罕见的。寡核苷酸适配子,作为一个潜在的分子探针,可以轻松地与label-free集成技术,扩大范围和应用的价值。最后,即时(POC)设备诊断方法的发展和样本分析越来越受欢迎。因此,label-free与便携设备集成的解决方案来完成快速和敏感的检测有很强烈的需求。