電化學生物傳感器.doc

電化學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與生物信息、了解生物分子及其結構與功能的關系、闡述生命活動的機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，是當前生命科學領域中面臨的一個十分重要的問題。解決這些問題的關鍵就在于發(fā)展各種新型的分析檢測技術。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，為生命科學及其相關領域的研究提供了許多新的方法1 電化學生物傳感器的基本結構及工作原理1.1 基本結構 通常情況下，生物傳感器由兩個主要部分組成即生物識別元件和信號轉換器。生物識別元件是指具有分子識別能力，能與待測物質發(fā)生特異性反應的生物活性物質，如酶、抗原、抗體、核酸、細胞、組織等。信號轉換器主要功能是將生物識別作用轉換為可以檢測的信號，目前常用的有電化學、光學、熱和質量分析幾種方法1。其中，電化學方法就是一種最為理想的檢測方法。圖1 電化學生物傳感器的基本結構1.2 工作原理電化學生物傳感器采用固體電極作基礎電極，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分子并將目標分子捕獲到電極表面，基礎電極作為信號傳導器將電極表面發(fā)生的識別反應信號導出，變成可以測量的電信號，從面實現(xiàn)對分析目標物進行定量或定性分析的目的。2 電化學生物傳感器的分類由各種生物分子(抗體、DNA、酶、微生物或全細胞)與電化學轉換器(電流型、電位型、電容型和電導型)組合可構成多種類型的電化學生物傳感器，根據固定在電極表面的生物敏感分子的不同，電化學生物傳感器可分為電化學免疫傳感器、電化學DNA傳感器、電化學酶傳感器、電化學微生物傳感器和電化學組織細胞傳感器等。2.1 電化學免疫傳感器電化學免疫傳感器是一種將免疫技術與電化學檢測相結合的標記免疫分析方法。它是以抗原抗體特異性反應為基礎，將抗原/抗體反應達到平衡狀態(tài)后的生物反應信號轉換成可測量的電信號并通過基礎電極將其導出。當采用電化學檢測方法測量時，其信號大小與目標分析物在一定濃度范圍內成線性關系，從而實現(xiàn)對目標檢測物的分析測定。根據抗原-抗體間的免疫反應的類型，電化學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記抗原和非標記抗原共同競爭與抗體的反應2。而夾心法則是將捕獲抗體、抗原和檢測抗體結合在一起，形成一種捕獲抗體/抗原/檢測抗體的夾心式復合物，也稱“三明治”式結合物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。電化學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?shù)臏囟?、pH、離子強度下，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)，導致電極表面結構發(fā)生改變。然后電極作為信號傳導器將在電極表面發(fā)生的雜交反應導出。通過檢測這些導出的電信號來達到檢測靶序列(或特定基因)的目的。圖4 電化學DNA傳感器的工作原理2.3 電化學酶傳感器電化學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。根據酶分子與電極間電子傳遞的機理不同，酶電化學生物傳感器大致經歷了三個發(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，直接檢測酶的反應底物的減少或產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)生電子轉移而設計的第三代電化學酶傳感器。這三代酶電化學生物傳感器的工作原理如圖5所示。圖5 三代酶電化學生物傳感器的工作原理2.3.1 電化學酶傳感器的分類根據測量信號的不同，大致可分為：電流型、電位型和電導型。（1）電流型酶傳感器 是研究以及應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，產生離子型物質，能引起指示電極電位改變6。（3）。電導型傳感器 是利用酶催化底物反應，導致反應體系中離子種類及濃度的變化，從而引起溶液導電性的改變，以溶液電導率為響應信號。3 電化學生物傳感器的前景與展望隨著電生物傳感器應用范圍的擴大，人們對其提出了更高的要求。今后，電化學生物傳感器的研究工作將會圍繞著以下幾個方面繼續(xù)發(fā)展：(1)采用納米材料用于傳感器的構建由于納米材料具有一些獨特的性質如比表面積大、表面反應活性高、生物相容性好、表面吸附能力強、電化學性質良好等優(yōu)點，可廣泛用于生物分子的固定。(2)體積小型化隨著納米技術、微電子技術的交叉發(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、集成化在生命科學研究和醫(yī)學臨床檢測中，需要對大量的各種各樣的生物大分子進行選擇性測定，既費時，又耗費醫(yī)藥試劑。因此，構建一個選擇性高、靈敏、簡單、快速、使用時間長的分析方法和廉價的小型化分析裝置，是一個重要的研究課題。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1 陳玲生物傳感器的研究進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