電化學(xué)生物傳感器.doc

電化學(xué)生物傳感器生物分子的分析檢測(cè)對(duì)獲取生命過(guò)程中的化學(xué)與生物信息、了解生物分子及其結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系、闡述生命活動(dòng)的機(jī)理以及對(duì)疾病的有效診斷與治療都具有十分重要的意義。如何高效、快速、靈敏地檢測(cè)這些生物分子，是當(dāng)前生命科學(xué)領(lǐng)域中面臨的一個(gè)十分重要的問(wèn)題。解決這些問(wèn)題的關(guān)鍵就在于發(fā)展各種新型的分析檢測(cè)技術(shù)。生物傳感器的出現(xiàn)為有效地解決這些問(wèn)題提供了新的工具，為生命科學(xué)及其相關(guān)領(lǐng)域的研究提供了許多新的方法1 電化學(xué)生物傳感器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理1.1 基本結(jié)構(gòu) 通常情況下，生物傳感器由兩個(gè)主要部分組成即生物識(shí)別元件和信號(hào)轉(zhuǎn)換器。生物識(shí)別元件是指具有分子識(shí)別能力，能與待測(cè)物質(zhì)發(fā)生特異性反應(yīng)的生物活性物質(zhì)，如酶、抗原、抗體、核酸、細(xì)胞、組織等。信號(hào)轉(zhuǎn)換器主要功能是將生物識(shí)別作用轉(zhuǎn)換為可以檢測(cè)的信號(hào)，目前常用的有電化學(xué)、光學(xué)、熱和質(zhì)量分析幾種方法1。其中，電化學(xué)方法就是一種最為理想的檢測(cè)方法。圖1 電化學(xué)生物傳感器的基本結(jié)構(gòu)1.2 工作原理電化學(xué)生物傳感器采用固體電極作基礎(chǔ)電極，將生物敏感分子固定在電極表面，然后通過(guò)生物分子間的特異性識(shí)別作用，生物敏感分子能選擇性地識(shí)別目標(biāo)分子并將目標(biāo)分子捕獲到電極表面，基礎(chǔ)電極作為信號(hào)傳導(dǎo)器將電極表面發(fā)生的識(shí)別反應(yīng)信號(hào)導(dǎo)出，變成可以測(cè)量的電信號(hào)，從面實(shí)現(xiàn)對(duì)分析目標(biāo)物進(jìn)行定量或定性分析的目的。2 電化學(xué)生物傳感器的分類(lèi)由各種生物分子(抗體、DNA、酶、微生物或全細(xì)胞)與電化學(xué)轉(zhuǎn)換器(電流型、電位型、電容型和電導(dǎo)型)組合可構(gòu)成多種類(lèi)型的電化學(xué)生物傳感器，根據(jù)固定在電極表面的生物敏感分子的不同，電化學(xué)生物傳感器可分為電化學(xué)免疫傳感器、電化學(xué)DNA傳感器、電化學(xué)酶?jìng)鞲衅?、電化學(xué)微生物傳感器和電化學(xué)組織細(xì)胞傳感器等。2.1 電化學(xué)免疫傳感器電化學(xué)免疫傳感器是一種將免疫技術(shù)與電化學(xué)檢測(cè)相結(jié)合的標(biāo)記免疫分析方法。它是以抗原抗體特異性反應(yīng)為基礎(chǔ)，將抗原/抗體反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)后的生物反應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成可測(cè)量的電信號(hào)并通過(guò)基礎(chǔ)電極將其導(dǎo)出。當(dāng)采用電化學(xué)檢測(cè)方法測(cè)量時(shí)，其信號(hào)大小與目標(biāo)分析物在一定濃度范圍內(nèi)成線性關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)檢測(cè)物的分析測(cè)定。根據(jù)抗原-抗體間的免疫反應(yīng)的類(lèi)型，電化學(xué)免疫傳感器可分為兩種：競(jìng)爭(zhēng)法和夾心法。競(jìng)爭(zhēng)法的分析原理是基于標(biāo)記抗原和非標(biāo)記抗原共同競(jìng)爭(zhēng)與抗體的反應(yīng)2。而夾心法則是將捕獲抗體、抗原和檢測(cè)抗體結(jié)合在一起，形成一種捕獲抗體/抗原/檢測(cè)抗體的夾心式復(fù)合物，也稱(chēng)“三明治”式結(jié)合物3。圖2 競(jìng)爭(zhēng)法圖3 夾心法2.2 DNA生物傳感器 DNA生物傳感器主要檢測(cè)的是核酸的雜交反應(yīng)。電化學(xué)DNA傳感器的工作原理如圖所示，即將單鏈DNA(ssDNA)探針，固定在電極上，在適當(dāng)?shù)臏囟?、pH、離子強(qiáng)度下，電極表面的DNA探針?lè)肿幽芘c靶序列選擇性地雜交，形成雙鏈DNA(dsDNA)，導(dǎo)致電極表面結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。然后電極作為信號(hào)傳導(dǎo)器將在電極表面發(fā)生的雜交反應(yīng)導(dǎo)出。通過(guò)檢測(cè)這些導(dǎo)出的電信號(hào)來(lái)達(dá)到檢測(cè)靶序列(或特定基因)的目的。圖4 電化學(xué)DNA傳感器的工作原理2.3 電化學(xué)酶?jìng)鞲衅麟娀瘜W(xué)酶?jìng)鞲衅魇窃诠潭ɑ傅拇呋饔孟?，生物分子發(fā)生化學(xué)變化后，通過(guò)換能器記錄變化從而間接測(cè)定出待測(cè)物濃度。根據(jù)酶分子與電極間電子傳遞的機(jī)理不同，酶電化學(xué)生物傳感器大致經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段：（1) 以自然界存在的02為電子傳遞體來(lái)溝通酶的電活性中心與電極之間的電子通道，直接檢測(cè)酶的反應(yīng)底物的減少或產(chǎn)物的生成的第一代酶?jìng)鞲衅?。?)為了降低工作電位，減少干擾，以小分子電子媒介體代替O2來(lái)溝通酶的電活性中心與電極之間的電子通道，通過(guò)檢測(cè)媒介體在電極上被氧化的電流變化來(lái)反映底物濃度的變化的第二代酶?jìng)鞲衅?。（3)利用酶自身能在電極上直接發(fā)生電子轉(zhuǎn)移而設(shè)計(jì)的第三代電化學(xué)酶?jìng)鞲衅鳌＿@三代酶電化學(xué)生物傳感器的工作原理如圖5所示。圖5 三代酶電化學(xué)生物傳感器的工作原理2.3.1 電化學(xué)酶?jìng)鞲衅鞯姆诸?lèi)根據(jù)測(cè)量信號(hào)的不同，大致可分為：電流型、電位型和電導(dǎo)型。（1）電流型酶?jìng)鞲衅?是研究以及應(yīng)用最廣泛的一種傳感器，它是利用固定在電極表面上的酶對(duì)底物的催化氧化或還原，產(chǎn)生可在電極上還原或氧化的組分，獲得電流信號(hào)5。（2）電位型傳感器 是基于離子選擇性電極原理而發(fā)展起來(lái)的，固定到電極表面的酶對(duì)底物催化，產(chǎn)生離子型物質(zhì)，能引起指示電極電位改變6。（3）。電導(dǎo)型傳感器 是利用酶催化底物反應(yīng)，導(dǎo)致反應(yīng)體系中離子種類(lèi)及濃度的變化，從而引起溶液導(dǎo)電性的改變，以溶液電導(dǎo)率為響應(yīng)信號(hào)。3 電化學(xué)生物傳感器的前景與展望隨著電生物傳感器應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，人們對(duì)其提出了更高的要求。今后，電化學(xué)生物傳感器的研究工作將會(huì)圍繞著以下幾個(gè)方面繼續(xù)發(fā)展：(1)采用納米材料用于傳感器的構(gòu)建由于納米材料具有一些獨(dú)特的性質(zhì)如比表面積大、表面反應(yīng)活性高、生物相容性好、表面吸附能力強(qiáng)、電化學(xué)性質(zhì)良好等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于生物分子的固定。(2)體積小型化隨著納米技術(shù)、微電子技術(shù)的交叉發(fā)展，生物傳感器將不斷微型化，使人們?cè)诩抑凶约哼M(jìn)行疾病診斷，在市場(chǎng)上直接檢測(cè)食品成為可能。(3)人工智能化、微型化、集成化在生命科學(xué)研究和醫(yī)學(xué)臨床檢測(cè)中，需要對(duì)大量的各種各樣的生物大分子進(jìn)行選擇性測(cè)定，既費(fèi)時(shí)，又耗費(fèi)醫(yī)藥試劑。因此，構(gòu)建一個(gè)選擇性高、靈敏、簡(jiǎn)單、快速、使用時(shí)間長(zhǎng)的分析方法和廉價(jià)的小型化分析裝置，是一個(gè)重要的研究課題。但效率和壽命是決定生物傳感器使用的主要問(wèn)題，因此在生物傳感器的制備過(guò)程中必須作為首要問(wèn)題去解決。參考文獻(xiàn)1 陳玲生物傳感器的研究進(jìn)展綜述傳感器與微系統(tǒng)，2006，25(9)：4-7.2 Kato N，Caruso FHomogeneous，Competitive Fluorescence Quenching Immunoassay Based on Gold NanoparticlePolyelectrolyte Coated Latex ParticlesJournal of Physical Chemistry B，2005，1 09(42)：l 9604一l 9612.3 Wei H，Guo Z B，Zhu Z W：et a1Sensitive Detection of Antibody against Antigen Fl of Yersinia Pestis by an Antigen Sandwich Method using a Portable Fiber Optic BiosensorSensors and Actuators B：Chemical，2007，127(2)：525-530.4 Updike S J，Hicks G PThe Enzyme ElectrodeNature，1 967，2 1 4(5092)：986-988.5 Daigle F，Leech DReagentless Tyrosinase Enzyme Electrode：Effects of Enzyme Loading，Electrolyte pH，Ionic Strength，and TemperatureAnalytical Ch