21世紀(jì)是生物學(xué)發(fā)展的時(shí)代，特別是生物科學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)經(jīng)融合產(chǎn)生的生物信息學(xué)將得到蓬勃的發(fā)展,。事實(shí)上,，從20世紀(jì)90年代初隨著人類基因組計(jì)劃的實(shí)施，生物信息學(xué)就已開始形成,。一般地講,，生物信息學(xué)指的是利用數(shù)理和信息科學(xué)的觀點(diǎn)、理論和方法去研究生命現(xiàn)象,，獲取生物學(xué)的數(shù)據(jù),，分析和提取生物信息的科學(xué)。對(duì)于人類基因組計(jì)劃,，生物信息學(xué)就是研究遺傳基因信息的科學(xué),。
傳感技術(shù)是信息科學(xué)的三大技術(shù)之一，是信息獲取的手段,。利用傳感技術(shù)獲取生物的信息是生物信息學(xué)發(fā)展的要求和必然,。因此，隨著生物信息學(xué)的發(fā)展,，獲取基因信息的基因傳感器的概念應(yīng)運(yùn)而生,。所謂基因傳感器，其原理就是通過固定在傳感器或稱換能器探頭表面上的已知核苷酸序列的單鏈DNA分子（也稱為ssDNA探針）,，和另一條互補(bǔ)的ssDNA分子（也稱為目標(biāo)DNA）雜交,，形成的雙鏈DNA（dsDNA）會(huì)表現(xiàn)出一定的物理信號(hào)，最后由換能器反應(yīng)出來,。
目前研究和開發(fā)的基因傳感器從信息轉(zhuǎn)換原理區(qū)分,，主要有電極電化學(xué)式，石英晶體振蕩器（QCM）質(zhì)量式和表面等離子諧振（SPR）光學(xué)式等幾種,。下面就這幾種基因傳感器的研究和發(fā)展做一個(gè)簡單的介紹,。
電化學(xué)基因傳感器
電化學(xué)式基因傳感器是以電極為換能器，也就是將ssDNA探針固定在金電極,、碳糊電極或玻璃電極等表面上,，然后浸入含有目標(biāo)ssDNA分子的溶液中，此時(shí)電極上的ssDNA探針與溶液中的互補(bǔ)序列的目標(biāo)DNA單鏈分子雜交,。
利用循環(huán)伏安法可檢測出雙鏈DNA的雜交信號(hào),。不過，信號(hào)提取并不那么簡單,，實(shí)驗(yàn)中需加入具有電化學(xué)活性的指示劑,。比如，在使用碳糊電極的電化學(xué)測量中，一般在溶液中加入三價(jià)的陽離子金屬化合物：Co(bpy)3或Co(phen)3作為dsDNA雜交指示劑,。Co(bpy)3有一個(gè)可逆的電子氧化作用,，它以靜電的方式與DNA雙鏈的螺旋相結(jié)合，其電活性使得微分脈沖或循環(huán)伏安法的測量電流增大,，提高了檢測的靈敏度,。
電化學(xué)基因傳感器也可以不用指示劑來檢測DNA的雜交，因?yàn)殡娀钚詣┑募尤胧沟秒娀瘜W(xué)信號(hào)的本底加大,，使得檢測的分辨率降低。過去,，檢測不到DNA雜交的本征信號(hào)是由于探針上鳥嘌呤基的存在,，它不能檢測含有鳥嘌呤基的目標(biāo)分子。解決這個(gè)問題的辦法是在電極上固定不含鳥嘌呤基的次黃(嘌呤核)苷探針,，當(dāng)嘌呤核苷與目標(biāo)胞核嘧啶形成基對(duì)時(shí),，它的氧化信號(hào)就從鳥嘌呤的響應(yīng)中很好地分離出來了。這樣DNA雜交的信號(hào)就直接和方便地檢測出來了,。
電化學(xué)原理檢測基因傳感器提供了一種簡單的,、可靠的和價(jià)廉的DNA雜交測試方法。它具有較高的靈敏度,，可探測出微克級(jí)的雙鏈DNA分子,，可以制作成微電極形式。同時(shí),，它與目前的DNA生物芯片技術(shù)兼容,。其不足之處是不能完全定量檢測，因?yàn)殡姌O制備的每一個(gè)過程并非定量進(jìn)行,。電化學(xué)基因傳感器的研究與發(fā)展方向是微型化,、陣列化、快速,、實(shí)時(shí)檢測技術(shù),。
質(zhì)量基因傳感器
質(zhì)量式基因傳感器是以石英晶體振蕩器（QCM）為換能器，與電化學(xué)基因傳感器一樣,，也是將單鏈的DNA探針固定在電極表面上,，然后浸入含有被測目標(biāo)ssDNA分子的溶液中，當(dāng)電極上的ssDNA探針與溶液中的互補(bǔ)序列的目標(biāo)ssDNA分子雜交,，QCM的振蕩頻率就會(huì)發(fā)生變化,。ssDNA探針在電極上固定的方法與電化學(xué)基因傳感器的方法一樣。QCM基因傳感器可以進(jìn)行定量分析,，可以做到定量固定ssDNA探針,，定量檢測雜交目標(biāo)dsDNA。QCM是一種非常靈敏的質(zhì)量傳感器，可以檢測到亞納克級(jí)的物質(zhì),。晶體的振蕩頻率隨電極上的質(zhì)量的增加而減少,。
一般采用AT切割的基頻為9MHz的石英晶體作為換能器，并在晶體的表面蒸發(fā)100nm厚的Au薄膜作為電極,，ssDNA探針通過巰基結(jié)合在電極的表面,。1納克的物質(zhì)附著在晶體上可使振蕩頻率減少0.95Hz。一般情況下,，ssDNA探針只有20~30個(gè)堿基,而目標(biāo)DNA分子的長度可能是探針的幾十或上千倍,。因此，雜交后的dsDNA會(huì)引起晶體表面質(zhì)量的較大變化,，很容易由頻率的變化達(dá)到測量的目的,。提高QCM基因傳感器的靈敏度有幾種方法：一是提高晶體的基頻，這樣做可能導(dǎo)致穩(wěn)定性的降低,；二是利用生物技術(shù)PCR放大DNA的濃度,，這樣使得檢測的過程復(fù)雜化了，成本提高了,；三是在QCM電極上制作多層膜,，這樣會(huì)有更多的雜交產(chǎn)物。QCM傳感器已經(jīng)用于檢測很多生物化學(xué)物質(zhì),，比如用于氣體的檢測,，免疫反應(yīng)檢測，抗原抗體反應(yīng)等,。
SPR基因傳感器
光學(xué)方法是最成熟和最好的生物敏感技術(shù),，因?yàn)樗袃蓚€(gè)最重要的優(yōu)點(diǎn)：非破壞性和高靈敏度。一個(gè)特別的技術(shù)就是表面等離子體諧振（SPR）生物敏感技術(shù),。SPR作為換能器,，其對(duì)基因敏感的原理仍然如電化學(xué)式或QCM式基因傳感器一樣，只不過檢測的信號(hào)為光學(xué)信號(hào),，DNA雜交會(huì)引起反射光的光強(qiáng)度變化或角度變化,。
SPR基因傳感器可以進(jìn)行無標(biāo)記的DNA雜交反應(yīng)的檢測，可以進(jìn)行原位和實(shí)時(shí)的在線檢測,，這些特點(diǎn)是由它的換能原理所體現(xiàn)出的,。表面等離子體是沿著金屬和電介質(zhì)間的界面?zhèn)鞑サ碾姶挪ㄐ纬傻摹．?dāng)平行表面的偏振光以稱之為表面等離子角的入射角照在界面上發(fā)生全反射時(shí),，入射光被耦合入表面等離子體態(tài),，在這個(gè)角度引起界面反射率顯著減小。這種現(xiàn)象是因?yàn)楸砻娴入x子體諧振產(chǎn)生的,，而諧振的出現(xiàn)是因?yàn)樵诮缑嫔戏瓷涔猱a(chǎn)生了損耗波對(duì)電介質(zhì)的滲透,。表面等離子體諧振對(duì)附著在金屬表面上的電介質(zhì)的折射率非常敏感。眾所周知，折射率是所有材料的一個(gè)固有的特征,。因此,，任何附著在金屬表面上的電介質(zhì)均可被檢測。不同的電介質(zhì)其表面等離子角不同,；而同一種材料,，附著在金屬表面上的量不同，則SPR的響應(yīng)強(qiáng)度不同,。
中國科學(xué)院電子學(xué)研究所傳感技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室已于幾年前研制出SPR傳感器,，用于氣體敏感、生物敏感的研究,。
SPR傳感器的精度取決與多個(gè)因素：入射光的穩(wěn)定性,，光電轉(zhuǎn)換的精度，機(jī)加工的精度以及被測物質(zhì)的折射率和分子的大小等,。SPR傳感器發(fā)展的方向一是它的微型化集成化,，比如TI公式研制的一種TISPR-1型傳感器,，就是典型的例子,；另一方向是SPR的成象研究，對(duì)于DNA雜交乃至生物反應(yīng),、分子動(dòng)力學(xué)的研究和測試提供了新的手段,。
基因傳感器的應(yīng)用
現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究證明，人類疾病都直接或間接地與基因有關(guān),。從這個(gè)意義上講,，所有的疾病都可視為基因病或遺傳病。疾病與基因的關(guān)系還是目前生物醫(yī)學(xué)研究的主題,，基因傳感器的研究與應(yīng)用必然會(huì)促進(jìn)這方面的研究,，對(duì)揭示基因與疾病的關(guān)系起到推動(dòng)作用。
目前,，一些基因傳感器已應(yīng)用到了醫(yī)學(xué)臨床對(duì)疾病的診斷的研究中,，比如，利用QCM通過對(duì)肝炎病毒PCR產(chǎn)物的檢測診斷肝炎,，對(duì)p53基因檢測診斷癌癥等,。基因傳感器可用于對(duì)環(huán)境的監(jiān)測,，檢測環(huán)境中的生物病菌等,。在軍事上的應(yīng)用更是目前重視的研究項(xiàng)目。由于基因工程的研究成果為生物武器的研究開辟了新的領(lǐng)域――基因武器,，便攜,、快速、靈敏的基因傳感器可以發(fā)揮重要作用。
總之,，基因傳感器自20世紀(jì)90年代提出以來,，研究和發(fā)展的非常快,，特別是對(duì)于非標(biāo)記的檢測技術(shù),，如質(zhì)量式的QCM和光學(xué)式的SPR生物傳感器，具有廣闊的發(fā)展前景,。
