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功能核酸生物传感器检测金属离子的研究进展
资料介绍
功能核酸是具有特定结构和功能的天然或人工核酸序列。一些金属离子是人体必需的微量元素,但过量的金属离子会对人体健康带来危害。功能核酸具有易于修饰、价格低廉、稳定性高、特异性强等优点,被广泛应用于金属离子的检测。本文详细介绍了功能核酸与金属之间的相互作用,主要包括DNA/RNA切割型、连接型、错配型、点击化学型、构象改变型以及其它类型;以及功能核酸与不同信号输出方式相结合的生物传感器。最后讨论了功能核酸在金属离子检测过程中的优势以及现存的问题,对功能核酸生物传感器未来的发展方向以及应用前景进行了展望。
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( FENXI HUAXUE)
7
第 期
第
卷
分析化学
评述与进展
2018
7
Chinese Journal of Analytical Chemistry
995～1004
年
月
DOI: 10． 11895/j． issn． 0253-3820． 171444
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殝
评述与进展
殝
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功能核酸生物传感器检测金属离子的研究进展
3
4
1，2
1
* 3
* 1，2
杜再慧 李相阳 田晶晶
张洋子 田洪涛
许文涛
1
2
(
，
，
，
100083)
， ， 102206)
北京农学院 食品科学与工程学院 北京
中国农业大学 北京食品营养与人类健康高精尖创新中心 食品科学与营养工程学院 北京
3
4
(
， ，
河北农业大学 食品科技学院 保定
071000)
(
。 ，
功能核酸是具有特定结构和功能的天然或人工核酸序列 一些金属离子是人体必需的微量元素 但
摘
要
。 、 、 、
过量的金属离子会对人体健康带来危害 功能核酸具有易于修饰 价格低廉 稳定性高 特异性强等优点
，
。 ，
被广泛应用于金属离子的检测 本文详细介绍了功能核酸与金属之间的相互作用 主要包括
DNA/RNA
切割
、 、 、 、 ;
连接型 错配型 点击化学型 构象改变型以及其它类型 以及功能核酸与不同信号输出方式相结合的
型
。 ，
生物传感器 最后讨论了功能核酸在金属离子检测过程中的优势以及现存的问题 对功能核酸生物传感器未
。
来的发展方向以及应用前景进行了展望
; ; ; ;
关键词 功能核酸 金属离子 作用方式 生物传感器 评述
1
引 言
、 、 ， 。
在基因合成 蛋白质表达 免疫调节等生命过程中 金属离子是必不可少的微量元素 随着人类工业
， ， ，
化进程的不断加速 越来越多的金属离子被排放到环境中 而金属离子一般不能降解 随着食物链不断被
［1～3］
，
逐级富集 从而导致环境中金属离子污染越来越严重
。
， 、 、
因此 对金属离子快速 高效的定性 定量检
［4］
［5］
［6］
。
测成为关注的热点 目前金属离子检测的方法主要包括大型仪器法
、
比色法
、
电化学方法 以及功
［7，8］
。
、 、 ，
能核酸检测技术
些方法能够准确测定金属的含量以及不同价态 但是也具有一定的局限性 如前处理过程繁琐 仪器设
大型仪器法主要包括高效液相色谱法 原子吸收光谱法 原子发射光谱法等 这
，
，
、
、 、 。 ，
备复杂且需专业人员操作 检测时间长 实时原位检测困难等 比色法操作简单 可基本满足实时原
， ， ，
位检测的要求 但一般需要采用有机溶剂进行预处理 灵敏度较低 对于痕量金属离子的检测存在不足
。
、 、 、 、 ，
电化学方法仪器简单 操作方便 灵敏度高 易于微型化 适于进行在线分析和实时环境检测 但是某
， 。 ， 、
些贵金属电极昂贵 修饰过程较繁琐 金属离子具有聚阴离子性质 并且功能核酸具有易于修饰 价格
、 、 ，
低 稳定性高 特异性强等优点 所以金属离子与核酸之间的作用引起了研究者的广泛关注
。
，
本文着重介绍了功能核酸与金属之间的相互作用 主要包括
DNA/RNA
、 、
切割型 链接型 错配型
、
、 。 。
点击化学型 构象改变型以及其它类型 其次对功能核酸生物传感器的应用进行分类介绍 最后讨论
，
了功能核酸在金属离子检测过程中的研究意义以及存在的问题 对功能核酸生物传感器未来的发展方
。
向以及应用前景进行了展望
2
功能核酸简介
2． 1
功能核酸的分类
， 、 、 、 、
功能核酸是指具有特定结构和功能的天然或人工核酸序列 具有识别 转化 催化 显色 发光
、
、 、 、 。
电子传递 封 闭 运 输 材 料 等 功 能 天 然 的 功 能 核 酸 包 括 核 糖 酶
( Ribozyme)
和 核 糖 酶 开 关
( Riboswitches) ;
( Aptamers) 、
核糖酶
( Ribozyme)
( DNAzymes) 。
和脱氧核糖酶
人工功能核酸包括适配体
RNA
［9］
，
的功能 使其形成具有位置功能的组复合物
。
核糖酶催化
核糖酶和核糖开关具有精准折叠
2017-11-22
; 2018-03-24
收稿
接受
( No． xxjc201721)
( No． 31671922)
资助
本文系北京市科技新星计划项目
和国家自然科学基金项目
*
E-mail: xuwentao@ cau． edu． cn; tht631022@ 163． com
46
卷
分 析 化 学
第
996
RNAs，
mRNA
。
区域顺式调节 本文主
核糖开关对细胞内小分子代谢产物和二级信使的浓度做出相应的
。
要介绍人工功能核酸与金属离子之间的相互作用
2． 2
功能核酸的体外筛选和分离
( Systematic evolution of ligands by
功能核酸 主 要 是 通 过 体 外 指 数 富 集 的 配 基 系 统 进 化 技 术
［10］
14～15
exponential enrichment，SELEX)
。
10
DNA
序列的随机
筛选获得
体外筛选是在一个包括
不同的
，
库中进行的 序列长度通常是
40～80
。
个核苷酸 随机文库的设计是通过随机序列和固定的两个引物结
， 。
合位点序列构成 随机文库在适宜的筛选条件和辅因子存在的条件下对底物进行孵育 然后通过聚丙
( PAGE) 、 。 DNA
亲和树脂或磁珠等方法将有活性的核酸序列分离 再将分离得到的 序
烯酰氨凝胶电泳
PCR
。
富集 然后依次进行约
5 ～ 15 ，
次的多轮筛选 最终获得具有特定催化活性的功能核酸序
列进行
。
。
列
这种筛选方法是目前体外筛选功能核酸的最主要策略
3
功能核酸与金属离子的相互作用
3． 1 RNA
切割型
RNA
2＇-OH
，
发生去质子化产生含氧阴离子 进而攻击
切割型功能核酸通过金属离子催化核糖上的
RNA
［11］
，
底物的磷酸二酯键水解 产生
2＇，3＇-
环磷酸盐和
5＇-OH
(
基团 图
1A)
。
目
邻近的磷酸基团导致
，
前 依赖于金属离子发生切割的
RNA
DNAzymes( 10～23 8～17 DNAzyme)
和
Santoro
Joyce
和
切割型
1B
是由
+
3 ［13］
+
2 ［14］
+
2 ［15］
+
2 ［14］
［12］
1997
，
1C 。 ， Cr
所示 同样 当
、Cd
、Mg
、Pb
、
在
年首次报道
其结构如图
和
+
2 ［16］
+
2 ［17］
Zn
Hg
，
等特定金属离子存在时 其特异性功能核酸也会发生
RNA
，
切割 根据切割产物对特异
和
。
性金属离子进行定量分析
［11］
［12］
［12］
－
; ( B) 8 17 DNAzyme
－
; ( C) 10 23 DNAzyme
的二级结构
1
( A)
图
催化机制
二级结构
［11］
［12］
－ －
Fig． 1 ( A) Catalytic mechanism ; ( B) structure of 8 17 DNAzyme ; ( C) structure of 10 23
［12］
DNAzyme
3． 2 DNA
切割型
RNA
，
切割外 功能核酸也可以对
DNA
。DNA
RNA
双链结构与
除了催化
序列进行切割
单链结构相
DNA
切割型
［18］
，
比更稳定 所以功能核酸催化
DNA
。1996 ，Carmi
切割需要更高的能量 年
等
第一次分离出
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