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基于DNA分子研制纳米器件及生物传感器的研究
DNA分子是生命体系中非常重要的分子之一，其无可比拟的特殊物理化学性质被广泛应用于生物学、化学、物理学、纳米技术等领域。目前，DNA分子在纳米器件及生物传感器的研究方面取得了许多突破性进展。本文将介绍DNA分子在研制纳米器件及生物传感器方面的应用及其研究进展。
一、DNA分子的特殊物理化学性质
DNA分子是针对环境和进化选择优化的生物大分子，拥有诸多优良特性。DNA分子具有序列性、可逆性、自组装能力、与金属离子配位等性质，这样的性质使其具有一定的应用潜力。例如，基于DNA分子可编程的互补配对规律，基于DNA分子可自组装形成二维和三维的立体结构等，进一步实现了DNA分子在生物和纳米技术领域的多种功能。在此基础上，DNA的聚合物与金属离子的可逆配对相结合，形成了DNA纳米线材料、DNA纳米管、DNA纳米芯片及DNA分子组装结构等，进一步推动了DNA分子在纳米器件及生物传感器研究领域的应用和发展。
二、DNA分子在纳米器件中的应用
1.DNA纳米结构的制备与应用
DNA分子可自组装形成二维和三维的立体结构，能够构建各种高度复杂的DNA纳米结构。近些年，DNA纳米结构研究在纳米器件和生物传感器领域中得到了广泛的应用。在DNA分子自组装的基础上，人们通过设计互补的DNA序列、设计形态并通过连接物之间的物理相互作用来实现在DNA分子的可控自组装过程中形态结构和功能性的精准调控，进而实现多功能的DNA纳米材料的制备。包括DNA纳米线、DNA纳米条纹、DNA纳米骨架、DNA纳米晶等等。因具有自组装、抗氧化、生物兼容性以及从宽环境中制备并纯化等优势，DNA纳米结构被广泛应用于纳米器件及生物传感器领域。DNA纳米结构的制备过程常采用质子、DNA适配体等吸附到表面后自组装的方法，制得的纳米结构具有高度定制化和精确控制的优点，能够形成卓越的应用性能。
2.DNA纳米线/纳米管
DNA纳米线，也称分子导线，是DNA纳米结构中的一种重要的形态。DNA分子作为一个带电荷的分子，极易在环境中与其它金属、半导体材料等组合成复杂的纳米器件。由于DNA分子具有相内部高度可控和结构一致性差异小的自聚集特点，得到了广泛的关注。同时，DNA纳米线与基于太阳能、胶电材料等细胞内光学材料相结合，为细胞光学透明度、分子输送等方面的研究提供了新思路和应用手段。相比之下，DNA纳米管则是通过多重嵌套的过程、数字板组合的方式形成的一种三维结构。最早通过DNA纳米线的“缠绕”进化而成，DNA纳米管具有可控性和优越的机械性能。
三、DNA分子在生物传感器中的应用
1.DNA传感器的基本原理
DNA传感器利用DNA分子的序列鉴定特异性，通过双链DNA的配对（互补）进行分子识别和检测，实现了对生物、化学和环境等方面的分析。通过合成不同的DNA探针，将其与芯片或标记荧光基团等结合起来，进而呈现不同变化或信号，以实现基于DNA的定量或定性检测。现代分子诊断技术可以通过DNA分子的特异性和敏感性，用于蛋白质和基因的检测，甚至是病毒和癌症的诊断。DNA传感器的发展可实现更新的样品预处理技术，避免了样品混淆和放射性废物冲浊等问题，同时提升了替代方法的敏感性和特异性。
2.DNA传感器的分类
DNA传感器包含激发荧光、电化学、质谱、电化学荧光、色谱和热差等多个类别。核酸基因芯片、电化学DNA传感器和荧光DNA传感器是当前研究的前沿。核酸基因芯片相对成熟，可以批量分析基因的发生或变化情况。电化学传感器以其灵敏度高、噪声低、标准曲线广等优点，被广泛用于生物检测，化工和环境监测等多个领域。荧光DNA传感器具有非常高的特异性和检测分辨率，可实现单分子水平的检测精度。同时，其以微量酵素、细胞和DNA等体系的探测具有极高的应用前景。
三、结论
DNA分子在纳米器件及生物传感器的研究方面已经取得了许多重要的进展。从DNA分子的特殊物理化学性质入手，研究者们探索了DNA分子在不同领域中的优异特性，开发了多种高度复杂的DNA构型，例如DNA纳米线、DNA纳米管等。同时，DNA分子在生物传感器方面，可以利用DNA分子的序列鉴定特异性，通过双链DNA的配对（互补）进行分子识别和检测，实现了对生物、化学和环境等方面的分析。DNA传感器具有高度的特异性和检测精度，可实现单分子水平的检测精度，对目前的分子诊断技术研究有着重要的影响和启示意义。随着科学技术的发展，我们相信DNA分子在纳米器件及生物传感器的研究领域中，会有越来越多的重要发现和作用价值。