杂交链式反应技术在生物传感器中应用研究进展(2)

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提高生物传感器灵敏度最有效的办法是应用核酸信号放大技术。作为进化和延续物种的决定因素，核酸的识别与检测一直是研究者广泛关注的对象。由于核酸分子的有限和微小，研究者们经常会遇见一些浓度较低，又不能直接扩增而无法检测的小分子，因此我们需要进一步放大传感器的检测信号以提高其灵敏度。随着生化分析技术的发展，核酸在检测方面的局限性也日益突出。因此，为了实现对核酸信号高特异性、高灵敏度的检测，发展核酸信号放大技术势在必行。提高灵敏度和扩大检测信号成为研究者们在构建生物传感器时必须使用的方法，扩大传感器检测信号的方法通常有两种，一种是通过更加精密的仪器放大目标物信号，另一种是通过核酸信号扩增技术有目标的增强传感器界面上的检测信号。更精密的仪器需要花费较大的成本，却达不到预想的提高检测信号精确的强度，核酸信号放大技术目的性的提高了检测信号强度，同时也降低了干扰信号强度，所以核酸信号放大技术成为生物学领域研究的重要前提，发展高灵敏度的信号扩增技术已成为当前生化分析的重点研究方向。

杂交链式反应（Hybridization chain reaction, HCR）是一种不需要酶参与的信号扩增方法。2004年，由Dirks和Pierce等[1]人首先报道了这种核酸信号放大技术，HCR在无酶恒温的条件下就可达到链放大及延伸的目的。由于其操作简单、灵敏度高，普适性也较强，受到工作者的高度关注。HCR元件主要包括：引发探针和两个碱基数相同的DNA发夹探针H1、H2。有引发链时，H1的识别序列与引发链杂交打开H1，探针H1的粘性末端被暴露。H1可以打开H2，H2的粘性末端也被暴露。H2接着打开H1，从而暴露了H1的粘性末端。如此循环，即可得到一个带有缺口的且具有双螺旋结构的多聚物，即达到了信号放大的目的。HCR不需酶的参与，成本低、放大效率高，在生物传感方面已受到高度关注。HCR与传统的放大技术不同，它是利用发夹结构的不断杂交自发地实现链的延伸，DNA在HCR中发生持续自组装反应。HCR建立在无酶且等温的条件下，已广泛应用于生物传感器领域，在核酸、蛋白质、小分子和金属离子等的检测中发挥着重要作用。HCR在生物传感器中的应用主要集中在以下几个方面：电化学生物传感、荧光生物传感、比色生物传感，蛋白质互相作用研究以及在拉曼散射光谱等。基于HCR构建的生物传感方法众多且各具特点，有必要把这些方法加以归纳总结，找出利用HCR构建生物传感器的一般规律和特点，为以后HCR的应用和基于HCR的生物传感器的构建，提供有益的理论参考和指导意见。

HCR作用的二级结构示意图[1]

1 HCR在电化学生物传感器中的应用研究

1.1 基于HCR的电化学生物传感器检测核酸和基因突变

随着生命科学的不断发展，研究工作者们对于核酸检测的灵敏度要求越来越高。通常目标DNA浓度较低，在检测中会受到基质的干扰，因此核酸扩增技术成了人们研究的焦点。将HCR信号放大技术用于核酸的检测发展较早且应用广泛。例如，Chen等人[2]发展了一种DNA检测方法，该方法是基于HCR的电化学发光（ELC）检测，实验原理如图2所示。

基于HCR策略的通用型和高灵敏电化学发光检测DNA的原理示意图[2]

首先DNA捕获探针在金电极上自组装，在靶DNA和两个发夹辅助探针同时存在的情况下，通过HCR在电极表面上形成延长的双链DNA。目标DNA和核酸探针杂交后，诱发HCR的发生，从而在电极上形成扩增后的双链DNA的聚合物。接着，ELC信号指示剂嵌入双链DNA中显著提高信号强度。该方法通用性好、灵敏度高，其检测限可低至飞摩级。与常见的DNA扩增方法相比，该方法有效的避免了一些繁琐的核酸标记步骤。