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對獲取生命過程中的化學(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、闡述生命活動的機(jī)理以及對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)十分重要的問題。解決這些問題的關(guān)鍵就在于發(fā)展各種新型的分析檢測技術(shù)。生物傳感器的出現(xiàn)為有效地解決這些問題提供了新的工具，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別元件和信號轉(zhuǎn)換器。生物識別元件是指具有分子識別能力，能與待測物質(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。信號轉(zhuǎn)換器主要功能是將生物識別作用轉(zhuǎn)換為可以檢測的信號，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，然后通過生物分子間的特異性識別作用，生物敏感分子能選擇性地識別目標(biāo)分子并將目標(biāo)分子捕獲到電極表面，基礎(chǔ)電極作為信號傳導(dǎo)器將電極表面發(fā)生的識別反應(yīng)信號導(dǎo)出，變成可以測量的電信號，從面實(shí)現(xiàn)對分析目標(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)酶傳感器、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)信號轉(zhuǎn)換成可測量的電信號并通過基礎(chǔ)電極將其導(dǎo)出。當(dāng)采用電化學(xué)檢測方法測量時(shí)，其信號大小與目標(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)對目標(biāo)檢測物的分析測定。根據(jù)抗原-抗體間的免疫反應(yīng)的類型，電化學(xué)免疫傳感器可分為兩種：競爭法和夾心法。競爭法的分析原理是基于標(biāo)記抗原和非標(biāo)記抗原共同競爭與抗體的反應(yīng)2。而夾心法則是將捕獲抗體、抗原和檢測抗體結(jié)合在一起，形成一種捕獲抗體/抗原/檢測抗體的夾心式復(fù)合物，也稱“三明治”式結(jié)合物3。圖2 競爭法圖3 夾心法2.2 DNA生物傳感器 DNA生物傳感器主要檢測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探針分子能與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。然后電極作為信號傳導(dǎo)器將在電極表面發(fā)生的雜交反應(yīng)導(dǎo)出。通過檢測這些導(dǎo)出的電信號來達(dá)到檢測靶序列(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)酶傳感器電化學(xué)酶傳感器是在固定化酶的催化作用下，生物分子發(fā)生化學(xué)變化后，通過換能器記錄變化從而間接測定出待測物濃度。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為電子傳遞體來溝通酶的電活性中心與電極之間的電子通道，直接檢測酶的反應(yīng)底物的減少或產(chǎn)物的生成的第一代酶傳感器。（2)為了降低工作電位，減少干擾，以小分子電子媒介體代替O2來溝通酶的電活性中心與電極之間的電子通道，通過檢測媒介體在電極上被氧化的電流變化來反映底物濃度的變化的第二代酶傳感器4。（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)酶傳感器。這三代酶電化學(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)酶傳感器的分類根據(jù)測量信號的不同，大致可分為：電流型、電位型和電導(dǎo)型。（1）電流型酶傳感器 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)展起來的，固定到電極表面的酶對底物催化，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。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，使人們在家中自己進(jìn)行疾病診斷，在市場上直接檢測食品成為可能。(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)臨床檢測中，需要對大量的各種各樣的生物大分子進(jìn)行選擇性測定，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、簡單、快速、使用時(shí)間長的分析方法和廉價(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題，因此在生物傳感器的制備過程中必須作為首要問題去解決。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