脱氧核糖核酸电分析化学研究进展

    黄海珍 杨秀荣3

    (中国科学院长春应用化学研究所电分析化学国家重点实验室 ,国家电化学和光谱研究分析中心 ,长春 130022)

    摘 要 就DNA电分析化学研究及其应用方面进行综述 ,主要叙述了 DNA 的各种电分析化学方法 ,以及

    DNA电化学传感器的原理、应用以及发展。本文引用文献77篇。

    关键词 脱氧核糖核酸 ,电分析 ,脱氧核糖核酸传感器 ,评述

    2001203208收稿;2001210224接受

    1 引 言

    脱氧核糖核酸(DNA)是一类很重要的生命物质 ,是生物体遗传信息的载体 ,对 DNA 的研究是生命

    科学研究中的一个极其重要的方面1。DNA的电化学研究起始于50年代 ,由于极谱学的开创和迅速发

    展 ,早期的研究主要集中在极谱法和伏安法方面 ,随着后来的发展 ,其它的电分析化学方法也用于DNA

    的研究。DNA的电分析化学研究在DNA的结构形态碱基序列 ,以及DNA的损伤 ,基因诊断等方面都具

    有重要意义 ,并且还可以为DNA与其它各类金属离子、金属螯合物、小分子物质等的相互作用机理研究

    提供依据。另外 ,DNA的电化学研究在临床诊断上也起了很重要的作用。

    2 DNA的电分析化学

    2. 1 DNA的电活性

    DNA分子的电活性主要是由DNA碱基所引起的。DNA碱基有鸟嘌呤(G) ,腺嘌呤(A) ,胞嘧啶(C)

    和胸腺嘧啶(T) ,其中 ,T不会发生电氧化或电还原 ,G、 A、 C可在电极上发生电还原 ,其还原位点主要是

    G的N - 7位 ,A的N - 1位 ,C的N - 3位。G和A 又可在电极上电氧化 ,其氧化位点主要是 G的 C - 8

    位 ,A的C - 2位。DNA中 G、 A的氧化不涉及到氢键 ,而A、 C的还原需要破坏碱基间的氢键。在中性电

    解质溶液中 ,变性DNA的氧化峰电位在 + 0. 9 V(G峰)和 + 1. 2 V(A、 C峰)附近。较之于变性的DNA来

    说 ,由于天然DNA的刚性 ,在电极表面不易发生形变 ,其氧化、还原位点不易接近电极 ,所以天然的DNA

    的氧化还原峰峰电位正移 ,峰电流下降。

    2. 2 DNA的极谱和伏安法分析

    极谱法是最早用来对DNA进行分析的电化学方法 ,是区分双链DNA(ds2DNA)和单链DNA(ss2DNA)

    的一种简便且行之有效的方法。至今为止 ,人们已经利用各种极谱、伏安方法 ,对DNA的电化学行为进

    行了详细的研究。

    早在50年代末 ,Palecek

    2 ,3

    就研究了DNA 的示波极谱行为(oscillopolarographic activity) ,发现变性的

    DNA由于 G的氧化和A ,C的还原分别产生一个阳极凹陷(AI)和阴极凹陷(CI) ,而天然的 DNA 由于在

    电极表面上结构的变化 ,经过多次扫描 ,也会产生一个凹嵌。Boublikova

    4

    等用吸附溶出伏安法对质粒

    样品中的环状双螺旋DNA进行检测 ,可以检测到亚微克量的DNA ,并且发现 ,辐射变性和热变性对环状

    双螺旋DNA的开环 ,进而裂成单链DNA的程度不同。陆宗鹏5

    等进行了DNA 的变性和损伤的吸附伏

    安法研究。张家玲6

    等研究了在氨性缓冲溶液中的DNA的极谱伏安行为。

    到80年代 ,Palecek

    7 ～10

    就发现可以将ss2DNA吸附的汞电极转移到不含DNA的电解质中进行分析 ,即吸附溶出转移伏安分析法(ADTSV) 。该方法不仅大大地降低了DNA的检测限 ,所需的DNA的样品量

    也大大减少 ,而且改善了伏安分析的环境。同时 ,也避免了溶液中的未吸附的DNA向电极的扩散 ,和其

    他物质对分析的干扰 ,以及变性的DNA再次复性的可能。经过后来的发展 ,不仅是汞电极 ,其他的电极

    第30卷

    2002年4月 分析化学 (FENXI HUAXUE) 评述与进展

    Chinese Journal of Analytical Chemistry

    第4期

    491～497也能用于该方法的分析。

    Palecek

    11

    等人利用转移方法研究了DNA和蛋白质修饰电极的各种电化学行为 ,发现在不同介质中

    变性的DNA修饰到电极上以后 ,会产生不同的伏安信号 ,并且 ,这一行为在电极转移到新的电解质溶液

    中以后不会发生大的变化。Fojita

    12

    等报道了吸附溶出转移方法用于超螺旋 DNA 的分析 ,用该方法可

    以很灵敏地检测DNA的损伤 ,从而用于检测环境中引起DNA损伤的药物。

    2. 3 DNA其它电分析方法

    DNA的其它电分析方法包括电位法 ,阻抗法 ,电化学发光法(ECL)等。DNA的电位分析不同于伏安

    分析 ,固定在电极上的DNA通过加入一恒定电流 ,根据电位随时间的变化来检测。Wang

    13

    等利用电化

    学方法活化的碳糊电极 ,用电位溶出方法来检测人体 T 2细胞白血病毒(HTLV21)的 DNA 的长链末端序

    列。Cai

    14

    等利用恒电流计时电位方法对质粒 PUC19 DNA的超螺旋构型 ,线性构型 ,以及变性的形式进

    行了分析 ,所得结果与伏安法类似 ,变性的DNA较超螺旋和线性DNA产生更大的信号。但电位溶出方

    法的灵敏度较伏安法要大几个数量级 ,用电位方法在碳糊电极上检测超螺旋和线性 DNA 的检测限为

    100μgP L ,变性的DNA的检测限为15μgP L。Wang

    15

    等利用电位作为杂交的传递信号 ,研究了DNA的杂

    交 ,具有很高的灵敏度。

    目前 ,用阻抗方法对DNA进行分析的文献报道较少 ,Brett

    16

    等记录了玻碳电极以及覆盖上DNA 的

    玻碳电极的阻抗谱图 ,发现在电位范围内 ,DNA 的吸附层是典型的。最近 ,Bardea

    17

    等报道了电化学阻

    抗法用于寡聚核苷酸2DNA相互作用的研究。

    DNA的电化学发光19 ,20

    也可以用于DNA的分析 ,但该方法主要应用于DNA发光传感器21 ～23

    ,并且

    大部分需要标记 ,本文不进行详述。

    2. 4 DNA在电极表面形态的研究

    1953年 ,Watson和 Crick提出的DNA的双螺旋模型 ,主要是B 型 ,虽然说在不同的外界条件下 ,DNA

    会呈现出不同的构型 ,如A型、 C型等 ,但都属于右手双螺旋。A. Rich等利用 X射线晶体衍射法分析人

    工合成的DNA小片段的晶体时 ,发现 d (CGCGCG)是左手双螺旋构型 ,后来又发现在天然的DNA中的确

    有以左手双螺旋 ,即以 Z 2DNA形式存在的。用电化学方法 ,我们很容易知道 DNA 在电极表面的形态 ,DNA的多链结构 ,DNA双螺旋在电极表面的部分开链 ,DNA构型由 B 型向 Z型的转变 ,以及检测由于化

    学或者物理试剂所引起的DNA双螺旋的单链区和小部位的变化。

    Brabec

    24

    研究了在电极表面为负电荷的电极上的DNA的构型变化情况 ,发现由于双螺旋DNA的界

    面变性 ,随着扫描起始电位由 - 0. 3 V变到 - 0. 8 V ,双螺旋DNA溶液的阳极氧化伏安峰增加 ,并且利用

    不同的 DNA ,可以得出 ,双螺旋 DNA 中 A2T 碱基对占多数的更易发生这种界面构型变化。

    Elzanowska

    25 ,26

    等研究了过渡金属离子Ni C ,Mn C引起的寡聚核苷酸 Poly d (G 2C) ]和 Poly d (G 2m5

    C) ]的

    B向 Z构型的转变 ,他们认为由于核酸碱基对与这些金属离子的络合 ,使得碱基对的堆叠发生改变 ,从

    而引起了DNA构型由B 向 Z的转变 ......