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功能核酸生物传感器检测金属离子的研究进展

更新时间：2019-12-25 12:30:45 大小：3M 上传用户：守着阳光1985查看TA发布的资源 标签：生物传感器 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

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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46  
( 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  
檵檵檵檵檵檵檵  
殝
评述与进展  
殝
檵 檵 檵 檵 檵 檵 檵  
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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