Ni-DNA 於生物感測器上的應用

在人體中有許多種的疾病都是由某些特定功能性蛋白質的不正常現象所引起 的，而造成這些不正常性蛋白質的原因，主要在於其所對應的 DNA 序列中有某些鹼 基的變異所引起的。在臨床的診斷上就必須要有一套有效，且快速的方法來檢測 DNA 序列中有害或突變的基因。一般用於 DNA 序列錯誤配對的檢測方法有以下幾種：1.

光學檢測法[106]、2. 石英天平微量分析法[107] 以及 3. 電化學檢測法[70-72,74,75]，

其中以電化學法最具有重點照護檢驗 (Point-of-care testing，POCT) 的發展潛力。電化 學法檢測的優點為有高靈敏度、高選擇性和低成本[71]，檢測過程中的電化學反應可 以直接以電子訊號讀出，避免訊號轉換之間的誤差影響檢測的準確性。然而其主要的 缺點則在於 DNA 分子本身的導電性較差，相對的電化學反應的訊號也較弱，因此則 必須藉由一些催化劑的添加來增強電化學訊號，例如亞甲基藍 (Methylene blue，

MB⁺)[71,73]。催化劑的添加在某些程度上也會造成檢測上的誤差，當催化劑沒有鍵結 於 DNA 分子上，而是直接與工作電極表面接觸時，所量測的氧化還原反應則無法準 確的反應出 DNA 序列上鹼基對的錯誤配對情形。在本實驗中，我們以金屬離子 (Ni²⁺) 的參雜使 DNA 轉換為 Ni-DNA 來提高 DNA 分子的導電性，以增強電化學反應的 訊號。利用電荷於 Ni-DNA 中的傳輸機制 (如上節所述)，對 Ni-DNA 序列中是否有 鹼基對錯誤配對的情況進行電化學分析。

3.3.5.1 DNA 序列中鹼基對錯誤配對之檢測

圖 3.27 Ni-DNA (Poly-TG) 序列中，鹼基對錯誤配對情形對交流阻抗圖譜的影響。●

為完全互補之序列，▲、▼、■ 分別為含有單一 GT、GA 以及三個 GT 錯誤配對鹼 基對之序列 (如表 3.1 所示)，實線部份為等效電路模擬結果

圖 3.28 Ni-DNA (random sequence) 序列中，鹼基對錯誤配對情形對交流阻抗圖譜的影 響。■ 為完全互補之序列，○、△、▼、◆分別為含有單一 GT、AC、GA 以及二個 AC

錯誤配對鹼基對之序列 (如表 3.1 所示)，實線部份為等效電路模擬結果

圖 3.29 Ni-DNA 序列中，各種不同鹼基對錯誤配對之電阻比較。圖中各符號所代表的 序列如表 3.1 所示

由電荷於 Ni-DNA 中的傳導機制可知，含有錯誤配對鹼基對之 Ni-DNA 電阻 增大的原因，主要是因電荷在 stacking 作傳輸時，由於錯誤配對鹼基對所誘發出 的電位能障，減少了電荷傳輸的機率。因此，依據不同類型的錯誤配對鹼基對所造成 DNA 雙股螺旋中 -stack 扭曲程度的不同，藉由 Ni-DNA 電阻的量測，我們可以快 速且準確的檢測出 DNA 序列中是否有錯誤配對的情況產生，甚至對於錯誤配對類型 的種類也可進一步的作區分。例如在實驗中，不論是那一組序列的 Ni-DNA，當序列 中有 G-A 錯誤配對的鹼基對時，其電阻都大於含有 G-T 錯誤配對鹼基對之序列 (圖 3.29)。除了先前所提及鹼基對穩定的影響外 (G-T 穩定度較 G-A 高)，G-T[109] 或 A-C[110] 在自然的情況下可以形成穩定的 wobble base pairing structure，此結構對於 DNA 整體構形的改變較小。然而在 G-A 錯誤配對的情況下，鹼基 G 與 A 都屬於嘌 呤鹼，在配對的過程中，G 和 A 可能藉由各自結構上羰基與氨基 (carbonyl-amino)、

氨基與氨基 (amino-amino) 或是氨基與羰基 (amino-carbonyl) 的交互作用來進行配對 [111]，而此鹼基對的形成對於原本 DNA 分子的磷酸骨幹，及鹼基堆疊都會造成較大 的影響。因此在 G-A 錯誤配對的情況下， Ni-DNA 則會表現出較大的電阻。此方式 不但可以有效的針對 DNA 序列中，是否有錯誤配對的情況做檢測外，對於序列中鹼 基對錯誤配對的數量也可以進一步的作分析，如圖 3.30 所示。藉由 Ni-DNA 電阻的

變化量與序列中鹼基對錯誤配對數量的關係圖可以得知，電阻的變化量隨著鹼基對錯 誤配對數量的增加而增加，並且呈現出指數關係的增長，如圖 3.30 中所擬合出的指 數增長曲線所示。由先前的實驗結果得知，電荷於 Ni-DNA 中傳輸時，可以藉由穿遂 效應穿越過由錯誤配對鹼基對所誘發出的電位能障，因此，隨著電位能障數目的增加，

電荷穿遂能障的機率將呈現出指數關係的遞減，相對的其電阻值則會隨著電位能障數 目的增加，而呈指數關係的遞增。利用此關係，我們可以藉由量測含有錯誤配對鹼基 對之 Ni-DNA ，與完全互補 Ni-DNA 之間的電阻差異，反推即可得知其序列中所含 有錯誤配對鹼基對之數量。

此檢測方式不會受到 DNA 序列上的差異，及 DNA 分子熱穩定度之影響，其 檢測的機制主要是依據鹼基對堆疊的改變，而使得電荷於 Ni-DNA 中的傳輸速率產生 變化。因此對於一些在傳統檢測法上，較難檢測出的單一的錯誤配對種類，如 G-T 或 G-A 等 (因具有較高的熱穩定度[70,112]，在傳統的雜合 (Hybridization) 檢測法中，

其 melting temperature 的變化量並不大，較不易檢測)，透過此方法都可以有效的分辯 出來。

圖 3.30 電阻變化量與鹼基對錯誤配對數量之關係圖