我國電化學(xué)生物傳感器的研究進展

1、第12卷第6期重慶科技學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版2010年12月收稿日期:2010-07-20基金項目:重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究資助項目(KJ101315作者簡介:劉艷(1968-,女,四川樂山人,副教授,研究方向為電化學(xué)傳感器。在生命科學(xué)研究和醫(yī)學(xué)臨床檢驗中,需對各種各樣的生物大分子進行選擇性測定。據(jù)統(tǒng)計,全世界每年要進行數(shù)億次免疫學(xué)和遺傳學(xué)病理檢驗。常用的檢驗小型化分析裝置和檢測方法,成為目前現(xiàn)代分析化學(xué)研究領(lǐng)域的前沿課題。1962年,Clark 提出將生物和傳感器聯(lián)用的設(shè)想,并制得一種新型分析裝置“酶電極”。這為生命科學(xué)打開一扇新的大門,酶電極也成為發(fā)展最早的一類生物傳感器。生物傳感器結(jié)合具有分

2、子識別作用的生物體成分(酶、微生物、動植物組織切片、抗原和抗體、核酸或生物體本身(細胞、細胞器、組織作為敏感元件與理化換能器,能產(chǎn)生間斷的或連續(xù)的信號,信號強度與被分析物濃度成比例。電化學(xué)生物傳感器是將生物活性材料(敏感元件與電化學(xué)換能器(即電化學(xué)電極結(jié)合起來組成的生物傳感器。當前,電化學(xué)生物傳感器技術(shù)已在環(huán)境監(jiān)測、臨床檢驗、食品和藥物分析、生化分析2-4等研究中有著廣泛的應(yīng)用。本文在此綜述電化學(xué)生物傳感器的工作原理、分類及幾個當今研究的熱點。1電化學(xué)生物傳感器概述1.1電化學(xué)生物傳感器的原理電化學(xué)生物傳感器是將生物活性材料(敏感元件與電化學(xué)換能器(即電化學(xué)電極結(jié)合起來組成的生物傳感器。當電化

3、學(xué)池中溶液的化學(xué)成分變化時,電極上流過的電流或電極表面與溶液的電勢差會隨之發(fā)生變化,這樣通過測定電流或電勢的變化就可以獲取溶液成分或相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)的變化信息。電化學(xué)生物傳感器是在上述電化學(xué)傳感器原理的基礎(chǔ)上,以具有生物活性的物質(zhì)作為識別元件,通過特定反應(yīng)使被測成分消耗或產(chǎn)生相應(yīng)化學(xué)計量數(shù)的電活性物質(zhì),從而將被測成分的濃度或活度變化轉(zhuǎn)換成與其相關(guān)的電活性物質(zhì)的濃度變化,并通過電極獲取電流或電位信息,最后實現(xiàn)特定物質(zhì)的檢測。如圖1所示,這類傳感器中使用的生物活性材料包括酶、微生物、細胞、組織、抗體、抗原等等。圖1電化學(xué)生物傳感器的工作原理1.2電化學(xué)生物傳感器的類別生物傳感器主要包括生物敏感膜和換

4、能器兩部分。按照敏感元件所用生物材料的不同,電化學(xué)生物傳感器分為酶電極傳感器、微生物電極傳感器、電化學(xué)免疫傳感器、組織電極與細胞器電極傳感器、電化學(xué)DNA 傳感器等,其中酶電極由于其高效、專一、反應(yīng)條件溫和且具有化學(xué)放大作用而成為電化學(xué)生物傳感器的研究主流。按照檢測信號的不同,電化學(xué)生物傳感器可分我國電化學(xué)生物傳感器的研究進展劉艷(長江師范學(xué)院,重慶408100摘要:介紹電化學(xué)生物傳感器的基本原理及分類;闡述電化學(xué)生物傳感器的發(fā)展歷程;綜述近三年來電化學(xué)生物傳感器中研究最為廣泛的電流型生物傳感器的應(yīng)用。關(guān)鍵詞:電化學(xué);生物傳感器;非特異性吸附;蛋白質(zhì)吸附中圖分類號:O652文獻標識碼:A文章編

5、號:1673-1980(201006-0153-03電子儀器待分析物生物敏感膜換能器153··為電位型、電流型、電導(dǎo)型和電容型四種形式。就目前研究情況來看,電流型生物傳感器由于其電極的輸出信號直接和被測物濃度呈線性關(guān)系,而成為研究最多、應(yīng)用最廣的一種類型。下面主要介紹電流型電化學(xué)生物傳感器。2電化學(xué)生物傳感器的發(fā)展電化學(xué)生物傳感器的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個階段,根據(jù)所用電子傳遞劑的不同,電化學(xué)生物傳感器可以分成第一代、第二代和第三代。2.1第一代電化學(xué)生物傳感器第一代電化學(xué)生物傳感器以自然物質(zhì)(如氧氣作為電子傳輸媒介。最早的Clark型生物傳感器,其基本原理是借助于溶液中溶解O2

6、進行酶與電極間的電子傳遞,從而實現(xiàn)酶的再生。底物的測定是通過檢測產(chǎn)物H2O2濃度變化或氧的消耗量來進行。1962年,Clark和Lyons首先在氧電極的基礎(chǔ)上提出了葡萄糖傳感器的設(shè)計原理。隨后,在1967年Updike和Hicks把含葡萄糖氧化酶的聚丙烯酰胺膜固定到氧電極上,研制出了第一支葡萄糖傳感器。但由于此類傳感器中被檢測物的響應(yīng)信號對氧氣的分壓有很強的依賴性,且被分析物所在體系中氧氣的分壓很容易發(fā)生變化。因此,該類傳感器電極穩(wěn)定性不夠好,壽命較短,靈敏度較低,抗干擾能力差,難以微型化等。這些缺點大大地限制了生物傳感器的推廣和應(yīng)用。2.2第二代電化學(xué)生物傳感器20世紀70年代起,為克服第一

7、代電化學(xué)生物傳感器的諸多缺點,人們開始用小分子的人造電子傳遞媒介來代替氧作為媒活中心與電極間的電子通道,通過檢測媒介體的電流變化來反映底物濃度的變化,從而構(gòu)造出了第二代電化學(xué)生物傳感器。第二代電化學(xué)生物傳感器可用作電子媒介體的物質(zhì)通常有鐵氰化物、二茂鐵及其衍生物、甲基紫精、四硫富瓦烯、染料分子、Ru、Os的化合物、苯醌等。該類電極有許多優(yōu)點,可以在無氧環(huán)境中檢測生物組分的濃度,解決了傳感器對氧氣的依賴問題。這些物質(zhì)雖具有疏水性,可直接吸附于電極表面,但往往由于吸附不牢而易于流失,同時媒介體也具有潛在的毒性,這些因素都限制了第二代傳感器的發(fā)展。國內(nèi)對第二代生物傳感器進行了許多研究工作,從不同角度

8、、不同途徑,對其加以改進,如利用某些離子交換聚合物膜,改善上述問題。這些電極修飾膜自身可牢固粘附于電極表面,通過自身的荷電基團對一些荷電物質(zhì)產(chǎn)生親合或排斥作用,能較好改善酶等生物敏感組織以及媒介體的固定牢度;同時,其離子交換特性還賦予電極預(yù)富集、離子交換、防污染等性能,這類介體型生物傳感器有效壽命有的可達數(shù)月之久6,7。2.3第三代電化學(xué)生物傳感器隨著生物傳感技術(shù)的不斷進步,發(fā)展新型簡單便攜、準確可靠、靈敏耐用的生物傳感器已成為當務(wù)之急。第三代生物傳感器的研究應(yīng)運而生,它是以氧化還原蛋白質(zhì)和酶直接電化學(xué)行為為理論基礎(chǔ),以酶與電極之間的直接電子轉(zhuǎn)移為特征的新型生物傳感器。這種傳感器無需引入媒介體

9、,與氧及其他電子受體無關(guān),因此固定化相對簡單,無外加毒性物質(zhì),是當前最理想的生物傳感器,也稱為第三代無媒介的生物傳感器。這類傳感器直接利用酶和蛋白質(zhì)的直接電化學(xué)行為,對于構(gòu)建第三代生物傳感器的酶和蛋白質(zhì)必須能在電極上表現(xiàn)出直接電子傳輸性質(zhì)(即氧化還原活性,符合上述要求的蛋白質(zhì)和酶通常有過氧化物酶、血紅蛋白、肌紅蛋白、細胞色素C、葡萄糖氧化酶、氯化血紅素等。若要實現(xiàn)酶和電極之間有效直接的電子傳輸,必須構(gòu)建一個合適的薄膜界面,在這個薄膜電極的構(gòu)建中,材料的選擇至關(guān)重要。只有那些生物相容性好且又能對酶和電極之間進行直接電子傳輸有促進作用的材料才是研究者的首選材料。這類材料包括某些天然和人造聚合物,表

10、面活性劑,無機和有機溶膠-凝膠,自組裝單層和多層膜,雙層磷酸脂膜等。近年來,隨著材料科學(xué)的發(fā)展,材料的種類越來越多,在眾多新材料中離子液體和納米材料為研究者所偏愛。3當前電化學(xué)生物傳感器研究熱點3.1減少非特異性吸附的新材料開發(fā)實現(xiàn)高度的敏感性和特異性蛋白檢測的關(guān)鍵就是要防止非特異性蛋白質(zhì)的吸附。免疫分析中,非特異的蛋白吸附常常是阻礙高靈敏度和高通量處理的一個重要的因素。中科院馬宏偉課題組研究出解決非特異性吸附的新方法,開發(fā)了一種新的固相載體,有望達到“0”非特異吸附。3.2蛋白質(zhì)吸附及生物相容性改良特異性蛋白質(zhì)的有效吸附及保持被吸附生物質(zhì)的生理活性是生物傳感器的關(guān)鍵技術(shù),Linyan Yan

11、g等人研究了用羧甲基纖維素,羧甲基-1,3-葡聚糖及藻酸對聚二甲基硅氧烷(PDMS表面進行改良,結(jié)果154··顯示多糖修飾的PDMS與天然PDMS相比,能明顯改善蛋白質(zhì)的吸附特性和細胞相容性10。3.3生物相容性材料應(yīng)用當前,電化學(xué)生物傳感器的研究仍然以第二代居多,即利用媒介體進行電子傳輸,通過檢測媒介體的電流變化來反映底物濃度的變化。但由于人造媒介體的緩慢釋放所帶來的潛在的毒性,限制了其在體檢測的可能性。采用生物相容性好的無毒性新材料制備第三代生物傳感器已成為研究熱點,其中作為新型材料的納米材料和室溫離子液體的相關(guān)研究最為活躍。4結(jié)語當前電化學(xué)生物傳感器的研究絕大多數(shù)還處

12、于基礎(chǔ)研究階段,未來實現(xiàn)傳感器的商品化還有許多工作要做。關(guān)乎人類生命與健康的,廉價、微型化、集成化和智能化、便于攜帶、便于現(xiàn)場或?qū)崟r性、在線性檢測的新型電化學(xué)生物傳感器的開發(fā)是研究者們繼續(xù)奮斗的目標。參考文獻1Clark L C,Lyons C,Ann N Y.Electrode S ystems forContinuous Monitoring in Cardiovascular SurgeryJ.Annals of the New York Academy of Science,1962,102(1:29-45.2毛秀玲,吳堅,應(yīng)義斌.電化學(xué)生物傳感器在發(fā)酵領(lǐng)域中的應(yīng)用J.分析化學(xué),200

13、8,8(12:1749-1755.3張巖,莊惠生.多層自組裝硫脲和納米金電流型萘免疫傳感器的研究J.分析化學(xué),2010,38(2:153-157.4楊欣,干寧,謝東華,等.基于復(fù)合納米微粒修飾電極的氯霉素快速檢測用磁場可控一次性安培免疫傳感器研究J.化學(xué)學(xué)報,2010,68(1:75-82.5Updike S J,Hicks G P.The Enzyme ElectrodeJ.Nature,1967,214(5092:986-988.6凌書娟,袁若,柴雅琴,等.基于殼聚糖包埋二氧化硅-亞甲基藍納米復(fù)合物的電流型癌胚抗原免疫傳感器的研究J.化學(xué)傳感器,2008,28(3:14-20.7高會玲,李

14、建平.磁性無機-生物復(fù)合粒子敏感膜新型電流型免疫傳感器的研究J.分析化學(xué),2008,36(12:1614-1618.8Hongtao Liu,Yang Liu,Jinghong Li.Ionic Liquids in SurfaceElectrochemistryJ.Physical Chemistry Chemical Physics, 2010,12:1685-1697.9Ma Hongwei,Wu Yuanzi,Yang Xiaoli,et al.Integrated Poly(dimethysiloxanewith an Intrinsic Nonfouling Property Ap

15、proaching“Absolute”Zero Background in Immunoassays J.Anal.Chem,2010,82:6338-6342.10Yang Linyan,Li Li,Tu Qin,et al.Photocatalyzed SurfaceMo dication of Poly(dimethylsiloxanewith Polysaccha Rides and Assay of Their Protein Adsorption and Cytocompatib-ilityJ.Anal.Chem,2010,82:6430-6439.Research Advance of Electrochemical Biosensors in ChinaLIU Yan(Yangtze Normal University,Chongqing408100Abstract:The paper introduces the classification and basic principles of electrochemical bios