1、生物電化學傳感器研究摘要：生物電化學傳感器是生物傳感器中研究最早、種類最多的一個分支, 它具有專一、高效、簡便、快速的優點, 已應用于生物、醫學及工業分析等方面。其工作原理是以固定化的生物成分(如酶、蛋白質、DNA、抗體、抗原)或生物體本身(如細胞、微生物、組織等)為敏感材料，與適當的化學換能器相結合，用于快速檢測物理、化學、生物量的新型器件。根據作為敏感元件所用生物材料的不同,電化學生物傳感器分為酶電極傳感器、微生物電極傳感器、電化學免疫傳感器、組織電極與細胞器電極傳感器、電化學DNA傳感器等。關鍵詞：生物電化學傳感器（bioelectrochemical sensor），敏感材料（sens

2、etive material），識別系統（recognition system）1.生物化學傳感器基本工作原理傳感器通常由敏感(識別)元件、轉換元件、電子線路及相應結構附件組成。生物傳感器是指用固定化的生物體成分(酶、抗原、抗體、激素等)或生物體本身(細胞、細胞器、組織等)作為感元件的傳感器。電化學生物傳感器則是指由生物材料作為敏感元件,電極(固體電極、離子選擇性電極、氣敏電極等)作為轉換元件,以電勢或電流為特征檢測信號的傳感器。由于使用生物材料作為傳感器的敏感元件,所以電化學生物傳感器具有高度選擇性,是快速、直接獲取復雜體系組成信息的理想分析工具。一些研究成果已在生物技術、食品工業、臨床檢測

3、、醫藥工業、生物醫學、環境分析等領域獲得實際應用。1 敏感材料是對目標物進行選擇性作用的生物活性單元。最先被使用的是具有高度選擇催化活性的酶。酶或是以物理方法(包埋、吸附等)，或是以化學方法(交聯、聚合等)被固定在化學傳感器的敏感膜中，然后，以化學電極作為換能器測定酶催化目標物反應所生成的特定產物的濃度，從而問接地測定目標物的濃度。隨著物理檢測手段的引入，人們已成功地把抗體、DNA聚合物、核酸、細胞受體和完整細胞等具有特異選擇性作用功能的生物活性單元用作了敏感材料。2 2.生物化學傳感器的發展歷史與現狀3 1962年，Clark在紐約自然科學學會的論文集中首次提出了“在化學電極的敏感膜中加入酶

4、以實現對目標物進行選擇性分析”的設想。1967年，Updike等人把葡萄糖氧化酶固定化膜和氧電極組裝在一起，制成了第一代生物傳感器。經過40年地不斷發展，隨著研究的深入，各種物理手段不斷地被引入到生物傳感器，當今的生物傳感技術日新月異。1975年，熱酶探針(thermal enzyme probe)和酶熱敏電阻器(tnzyme thermistor)分別研制成功。20世紀70年代起，人們就開始尋求一種可以直接捕捉敏感源與目標物之間結合過程(如，抗體與抗原的結合)的換能器。直到1983年，Leiberg等人發表了一篇采用表面等離子體共振(SPR)技術實現實時監測親合反應的報道后，這一問題才得到解

5、決，這一技術隨即促成了免疫傳感器的產生。1984年，Turner等人報道了用二茂鐵及其衍生物作為氧化還原酶的介體以制造廉價酶電極的方法。很快MediSense公司便以此為基礎發展了能大規模生產具有高重現性酶電極的絲網印刷技術，該技術推動了生物傳感器的發展。20世紀90年代初，生物傳感器的研究進入第二階段，這時期的生物傳感器為第二代。第二代生物傳感器的特點是使用抗體或受體蛋白作分子識別組件，換能器的選用則更為多樣化，諸如場效應管(FET)，光纖(FOS)，壓電晶體(PZ)，聲表面波(SAW)器件等。1996年，Turner等人研制的一種以DNA為敏感源的傳感器，利用液晶分散技術，將DNA聚陽離子

6、配合物固定在換能器上，所有能影響DNA分子間交聯度的化學和物理因素均能被靈敏地捕獲，并反映為一個強的、具有“指紋”結構的圓二色譜吸收峰。2l世紀發展的生物傳感器為第三代產品，隨著微加工技術和納米技術的進步，生物傳感器不斷地向微型化、集成化方向發展，便攜式測試儀已得到快速發展。當今，納米材料在生物傳感器中的應用，使其研究進入嶄新階段。我國生物傳感器研究始于20世紀80年代初，20世紀90年代是我國生物傳感器應用取得較大發展的l0年，山東省科學院生物研究所是國內首家在該方面研究開發取得成功的單位，從1983年到1998年已研制成功了l0多項產品，有的成果達到國際先進水平。以SBA_40型和50型生

7、物傳感分析儀為代表，儀器集成了許多智能化操作程序，其主程序可方便地滿足多種自動測定要求。具有多酶協同作用的復合酶膜生物傳感器，通過自動測定程序實現了糖化酶活性的快速自動測量，應用雙電極一差分的方法實現了難以分析的生化樣品測定，包括尿素、谷氨酰胺、淀粉、蔗糖、乳糖、麥芽糖等。4 3. 生物化學傳感器的應用研究生物化學傳感器的分類方法很多，通常按照感受器中所采用的生命物質分類，可分為分為酶電極傳感器、微生物電極傳感器、電化學免疫傳感器、植物組織電極傳感器、電化學DNA傳感器等。3.1酶電極傳感器 酶傳感器是生物傳感器領域中研究最多的一種類型。生物傳感器中的生物活性物質是傳感器的核心部分,然而它們一

8、般都溶于水,其本身也不穩定,需要固定在各種載體上,才可延長生物活性物質的活性。固定化技術的運用很大程度上決定著傳感器的性能,包括選擇性、靈敏度、穩定性、檢測范圍與使用壽命等。隨著廣大科技工作者的不斷努力,我國酶傳感器的研究取得了很大的進步,主要表現在防止電子媒介體和酶的流失、提高固定化酶活力的技術、載體選擇范圍擴大和各種高新技術在酶傳感器中的應用等方面。以葡萄糖氧化酶(GOD)電極為例簡述其工作原理。在GOD的催化下,葡萄糖(C6H12O6)被氧氧化生成葡萄糖酸(C6H12O7)和過氧化氫。根據上述反應,顯然可通過氧電極(測氧的消耗)、過氧化氫電極(測H2O2的產生)和pH電極(測酸度變化)來

9、間接測定葡萄糖的含量。因此只要將GOD固定在上述電極表面即可構成測葡萄糖的GOD傳感器。這便是所謂的第一代酶電極傳感器。這種傳感器由于是間接測定法,故干擾因素較多。第二代酶電極傳感器是采用氧化還原電子媒介體在酶的氧化還原活性中心與電極之間傳遞電子。第二代酶電極傳感器可不受測定體系的限制,測量濃度線性范圍較寬,干擾少。現在不少研究者又在努力發展第三代酶電極傳感器,即酶的氧化還原活性中心直接和電極表面交換電子的酶電極傳感器。目前已有的商品酶電極傳感器包括:GOD電極傳感器、L 乳酸單氧化酶電極傳感器、尿酸酶電極傳感器等。在研究中的酶電極傳感器則非常多。 電化學酶傳感器基于電子媒介體的葡萄糖傳感器,

10、具有響應速度快、靈敏度高、穩定性好、壽命長、抗干擾性能好等優點,尤為受到重視。二茂鐵由于有不溶于水、氧化還原可逆性好、電子傳遞速率高等優點,得到了廣泛的研究和應用。目前研究的重點是防止二茂鐵等電子媒介體的流失,從而提高生物傳感器的穩定性和壽命。提高傳感器穩定性的主要方法是利用環糊精作為載體,形成主客體結構。如孫康等5 以- 環糊精與戊二醛縮合而成的聚合物(- CDP)為主體,電子媒介體二茂鐵為客體,形成穩定的包絡物,制成了葡萄糖、乳糖生物傳感器。由于包絡物的形成,避免了二茂鐵的流失,生物傳感器的穩定性得到提高,使用壽命得到延長。再如朱邦尚等6 以電子媒介體1 ,1 - 二甲基二茂鐵為客體與-

11、CDP 形成穩定的主客體包絡物。用牛血清白蛋白- 戊二醛交聯法,把葡萄糖氧化酶(GOD) 和主客體包絡物固定到電極上,成功地制成了葡萄糖傳感器。該傳感器具有穩定性高、選擇性好和較長的使用壽命等優點,線性響應范圍為0. 0118 mmol/ L 。利用二茂鐵也可以制成組織傳感器。光化學酶傳感器宋正華7 等將具有分子識別功能的- 葡萄糖甙酶和能進行換能反應的Luminol 分別固定在殼質胺和大孔陰離子交換劑的柱中,組成流動注射系統。苦杏仁甙在- 葡萄糖甙酶催化下分解生成的CN-(分子識別反應) 與溶解氧反應生成超氧陰離子自由基,繼而同Luminol 反應產生化學反應(換能反應) 。這一新型生物傳感

12、器的化學發光強度與苦杏仁甙量在1200g 之間呈良好線性關系,檢出限為0. 3g ,相對標準偏差為3. 1 % ,并具有良好選擇性。每次測定時間為2min ,- 葡萄糖甙酶柱壽命為6 個月,Luminol 柱可使用200 次以上。3.1.3酶傳感器中應用的新技術.1 納米技術固定化酶時引入納米顆粒能夠增加酶的催化活性,提高電極的響應電流值。首先,納米顆粒增強GOD 在載體表面上的固定作用;其次是定向作用,分子在定向之后,其功能會有所改善;第三,由于金、鉑納米顆粒具有良好的導電性和宏觀隧道效應,可以作為固定化酶之間、固定化酶與電極之間有效的電子媒介體,從而使得GOD 的氧化還原中心與鉑電極間通過

13、金屬顆粒進行電子轉移成為可能,酶與電極間可以近似看作是一種導線來聯系的。這樣就有效地提高了傳感器的電流響應靈敏度。.2基因重組技術周亞鳳等8 將黑曲霉GOD 基因重組進大腸桿菌、酵母穿梭質粒,轉化甲基營養酵母,構建出GOD 的高產酵母工程菌株。重組酵母GOD 比活力達426. 63 u/ mg 蛋白,是商品黑曲霉GOD 的1.6 倍,催化效率更高。重組酵母GOD 的高活力特性可有效提高葡萄糖傳感器的線性檢測范圍。.3 溶膠- 凝膠技術溶膠- 凝膠應用于生物傳感器領域具有如下一些優點9 : (1) 基質在可見光區是透明的,適于光化學生物傳感器的制作; (2) 基質具有一定的剛性,提高了生物活性物

14、質的熱穩定性; (3) 基質熱穩定性好,并且呈化學惰性,對生物活性物質的失活作用很小,保持了活性; (4) 通過溶膠-凝膠制備條件的優化,可控制基質的孔徑大小和分布,使酶分子有足夠的自由活動空間而又不至于從基質中流失,從而提高傳感器的使用壽命;(5) 溶膠- 凝膠材料還具有生物相容性,為微電極植入人體提供了新的可能性; (6) 還可通過對先驅體的功能化賦予溶膠- 凝膠新的性能; (7)溶膠- 凝膠的制備條件十分溫和,生物分子可以在不同的制備階段加入,并且可以制成不同大小與形狀的修飾電極等。溶膠- 凝膠材料作為酶固定化載體,開辟了制備生物傳感器的新領域。.4酶的定向取向技術經典的固定化酶方法主要

15、有物理吸附、化學偶聯、交聯、凝膠包埋和微膠囊法等。酶在固定化過程中活力降低的因素主要有: (1) 固定過程中的化學損傷; (2) 酶分子不適合的空間取向使得與底物發生鄰近定向效應受阻,催化作用減弱。因此,酶或蛋白質分子空間沉積的方向控制是制備高質量固定化酶、酶標試劑和生物器件的前提。固定化酶空間取向方法主要有共價鍵法、氨基酸置換法、抗體偶聯法、生物素- 親和素親和法和疏水定向固定法等。應用較多的是生物素- 親和素親和法。生物素- 親和素之間具有高度專一和強烈的相互作用,在pH 值、溫度、有機溶劑或變性劑等較大的變化范圍內均能穩定存在,已經廣泛應用于蛋白質的固定化及生物傳感器。3.2 微生物電極

16、傳感器由于離析酶的價格昂貴且穩定性較差,限制了其在電化學生物傳感器中的應用,從而使研究者想到直接利用活的微生物來作為分子識別元件的敏感材料。這種將微生物(常用的主要是細菌和酵母菌)作為敏感材料固定在電極表面構成的電化學生物傳感器稱為微生物電極傳感器。其工作原理大致可分為三種類型:其一,利用微生物體內含有的酶(單一酶或復合酶)系來識別分子,這種類型與酶電極類似;其二,利用微生物對有機物的同化作用,通過檢測其呼吸活性(攝氧量)的提高,即通過氧電極測量體系中氧的減少間接測定有機物的濃度;其三,通過測定電極敏感的代謝產物間接測定一些能被厭氧微生物所同化的有機物。微生物傳感器的結構微生物傳感器是使用微生

17、物活細胞或細胞碎片作為敏感元件與電化學換能器來制備生物傳感器。10 主要由2 部分組成：第1 部分是微生物膜，此膜是由微生物與基質（如PVA，海藻酸鈉等）以一定的方式固化形成；第2 部分是信號轉換器（如O2電極、氣敏電極或離子選擇電極等）。微生物傳感器的工作原理及分類微生物在利用物質進行呼吸或代謝的過程中，將消耗溶液中的溶解氧或產生一些電活性物質。在微生物數量和活性保持不變的情況下，其所消耗的溶解氧量或所產生的電活性物質的量反映了被檢測物質的量，再借助氣體敏感膜電極（如溶解氧電極、氨電極、二氧化碳電極、硫化氫電極）或離子選擇電極（如pH 玻璃電極）以及微生物燃料電池檢測溶解氧和電活性物質的變化

18、，就可求得待測物質的量，這是微生物傳感器的一般原理。微生物電極的種類很多，根據微生物與底物作用原理的不同，微生物電極可分為測定呼吸活性型微生物電極、測定代謝物質型微生物電極。根據測量信號的不同，可分為電流型微生物電極、電位型微生物電極。3.2.3 微生物傳感器的應用領域1975 年Divies制成了第1 支微生物傳感器,到目前,微生物傳感器可測定物質已達六七十種,表1 列出了一些典型微生物傳感器及其特性。微生物傳感器不僅可以測定單一成分物質,如葡萄糖等各類碳水化合物、甲酸等各類有機酸、硝酸鹽等各類含氮化合物和各類氨基酸等,還可以測定多種化合物的總量和集合效應。在發酵工業領域,微生物傳感器已應用

19、于原材料、代謝產物的測定。應用微生物傳感器可不受發酵過程中常存在的干擾物質的干擾,并且不受發酵液混濁程度的限制。在生物工程領域,微生物傳感器已用于酶活性的測定。微生物傳感器還能用于測定微生物的呼吸活性,在微生物的簡單鑒定、生物降解物的確定、微生物的保存方法的選擇等方面也有應用。在醫學領域里,著眼于致癌物質對遺傳因子的變異誘發性,人們利用微生物傳感器對致癌物質進行一次性篩選。環境監測領域是微生物傳感器應用最為廣泛的領域,其典型代表是BOD 傳感器。它可以測定水中可生物降解有機物的總量即生化需氧量。3.3電化學免疫傳感器免疫傳感器是生物化學傳感器中一大分枝。80年代以來, 隨著生物學技術的迅速發展

20、,為免疫傳感器的發展提供了有力的幫助。由于抗原和抗體的特異性反應, 免疫傳感器較其它生物和化學傳感器有更高的專一性和選擇性。電化學免疫傳感器是免疫傳感器中研究最早, 種類最多, 也較為成熟的一個分枝, 它禍聯各種電分析技術, 如溶出伏安法、脈沖伏安法、脈沖差分法等, 大大提高了它的靈敏度, 在短短幾十年里, 相繼開辟了種類繁多的研究和應用領域, 目前正朝著更加靈敏、特效、微型和適用的方向發展。3.3.1 電化學免疫傳感器的分類電位型免疫傳感器電位型免疫傳感器興起于70年代, 集酶免疫分析的高靈敏度和離子選擇電極、氣敏電極的高選擇性于一體, 直接或者間接用于各種抗原、抗體的檢測, 它具有可實時監

21、測、響應時間較快等特點。通常離子選擇電極、氣敏電極被用來作為基底電極。常用的離子選擇電極如氟離子電極,碘離子電極,三甲基苯胺陽離子電極等。酶作為標記物用來催化底物的反應, 使底物釋放出離子或者氣體, 待測抗原或抗體的濃度與酶催化產物在基底電極上的響應相關。電位型免疫分析過程中一般需要異相分離和二抗。因此, 尋求均相酶免疫分析, 不需要二抗來直接檢測抗原或抗體的濃度是眾多研究者的追求目標。電容型免疫傳感器電容型免疫傳感器是建立在雙電層理論上的一種傳感技術。電容傳感器的測量原理比較簡單, 電解電容器的電容值決定于平板表面介電層的厚度及介電性質。在受體被接上后, 根據方程, 由引起的電容變化就可以得

22、知被側物濃度與電容之間的關系, 如果采用實時監測就會得到動力學的變化過程。同其它生物傳感器一樣, 敏感膜的制備技術是電容型免疫傳感器中最為重要的環節。它要求首先在金屬電極或者半導體表面形成一種電絕緣層。電容型免疫傳感器的成功與否在很大程度上取決于這一電絕緣層。大部分選用的基底是金屬和半導體。11 安培分析免疫傳感器安培分析免疫傳感是將免疫技術和電化學檢測相結合的一種標記性的免疫分析, 其標記物有酶和電活性物質兩類。常用來作為標記的酶有堿性磷酸酶、辣根過氧化物酶、乳酸脫氧酶、葡萄糖氧化酶、青霉素酞化酶和尿素水解酶等。以酶作為標記物的電化學酶聯免疫分析首先將標記酶預先交聯在抗體或抗原上, 然后采用

23、夾心法或者競爭法進行安培分析測定。夾心法免疫反應的基本過程如圖所示，首先將抗體固定在傳感器的表面, 然后加人抗原, 使傳感器表面形成免疫復合物, 洗去過量的或未反應的抗原加人酶標抗體二抗培育, 在傳感器表面上抗原與酶標抗體鍵 合, 洗去游離的酶標抗體。最后在測試體系中加人底物, 鍵合在傳感器表面的酶標對底物產生催化作用, 生成一種電活性的產物, 根據測試體系電流的變化與酶的活性成正比,而間接計算出待測抗原的含量。競爭法免疫反應的基本過程如圖所示固定了抗體的傳感器放人含有待測抗原和酶標抗原的培養液中, 培育后清洗, 在測試體系中加人底物, 再用與夾心法相同的方法測定傳感器酶的活性。鍵合在傳感器表

24、面上的酶的活性與催化反應的產物的量成正比, 與待測抗原的濃度成反比。競爭法較夾心法簡便、快速, 所以在電化學酶聯免疫實驗中大都采用競爭法。電活性標記物一般有二茂鐵、硝基雌三醇、以及金屬離子等, 其原理類似于酶標記, 首先將電活性物質標記于抗原或抗體上, 再通過競爭法或夾心法將標記物鍵合在傳感器上, 通過電分析技術檢測電活性標記物。由于酶的化學放大作用, 所以在安培免疫分析中, 大多采用酶作為標記物。在電化學酶聯免疫分析中, 常采用的電分析技術有循環伏安法、安培分析法、差分脈沖法等, 其中安培分析法是較常采用的分析方法。電化學免疫傳感器的應用電化學免疫傳感器的例子有:診斷早期妊娠的hCG免疫傳感

25、器;診斷原發性肝癌的甲胎蛋白(AFP或FP)免疫傳感器;測定人血清蛋白(HSA)免疫傳感器;還有IgG免疫傳感器、胰島素免疫傳感器等等。3.4植物組織電極傳感器直接采用動植物組織薄片作為敏感元件的電化學傳感器稱組織電極傳感器,其原理是利用動植物組織中的酶,優點是酶活性及其穩定性均比離析酶高,材料易于獲取,制備簡單,使用壽命長等。但在選擇性、靈敏度、響應時間等方面還存在不足。植物組織電極傳感器的發展自從1981年kuriyama首次成功地研制出利用南瓜組織薄片與二氧化碳電極組成測定L-谷氮酸的植物組織電極以來, 選材方式按植物根、莖、葉、花、皮果實和種子等各種形式的植物組織電極相繼問世。這一領域

26、的研究已愈來愈受分析化學家們的矚目。迄今為止, 已有十余種植物組織電極研制發表。這些工作基本是國外研究室進行的, 國內尚未見文獻報導。植物組織電極傳感器的特點植物組織電極具有其它生物電極共同的優點(1)由于固定化技術的應用, 可使生物催化材料反復使用;(2)可以直接在體液、發酵液、廢水等復雜試液中選擇性分析測試底物, 試液不需透明澄清, 不必預處理;(3)操作簡單, 用樣量少, 測試時間短;(4)分析結果以電信號輸出, 易于自動化監測。組織電極可視為酶電極的衍生物, 其基本原理仍是酶催化反應, 但它與酶電極相比,更具一些獨特優點:(1)提供一種新概念, 即用存在于自然環境中的自然物質本身探測自

27、然,(2)省去了酶電極法的分離、固定化酶步驟, 具有制作簡單、價格低廉、使用壽命相對較長等優點。其原因是一些酶在組織體內是穩定的, 一旦分離出來很易失活, 甚至有一些酶目前還根本無法分離,(3)可用于不知何種酶或催化途徑不清楚的體系, (4)自然材料時常已含諸如輔酶等物質的協同因子或最佳條件下所必須的成份, 而生物催化機制常常是生物體中多種輔助因子的系統表現或分步聯合的結果。12 植物組織電極傳感器的不足雖然植物組織電極在近十年的歷史中取得了可喜成績, 預示著廣闊的發展前景。但白于目前人們對各種組織的內在功能實質了解得尚不透徹, 從整體說, 此類電極的研究尚屬早期階段, 還存在以下幾方面的問題

28、：（1）選擇性問題，由于組織切片不象經分離純化的酶那樣, 含酶單一而選擇性好。組織體中往往是多種酶源的聚集體, 因此, 提高選擇性是開發一支新組織電極首先碰到也是較為困難的一項任務, （2）重現性問題，植物組織電極需在使用過程中隨時進行校正。組織中的酶因受生長季節、生產場地、保存期限及切片用量等因素控制的影響, 每制備一支新組織電極, 需制作校正曲線, 而不考慮不同組織電極的重現性, （3）壽命問題，由于生物催化膜的壽命有限, 一般在幾天至幾周響應時間問題由于組織切片膜的厚度一般需要約數十至數百微米, 加上細胞膜的屏障作用, 使底物擴散受阻, 響應時間一般比酶電極及其它類型傳感器長一些, （4

29、）理論問題目前人們的注意力較集中于尋找合適的酶源組織、選取組織切片部位及厚度、生物催化劑活性的保持和延長、選擇合適的激活劑和抑制劑、探索測量的最佳條件等方面, 對電極響應機理方面的研究基本屬于空白。3.5電化學DNA傳感器電化學DNA傳感器是近幾年迅速發展起來的一種全新思想的生物傳感器。其用途是檢測基因及一些能與DNA發生特殊相互作用的物質。電化學DNA傳感器是利用單鏈DNA(ssDNA)或基因探針作為敏感元件固定在固體電極表面,加上識別雜交信息的電活性指示劑(稱為雜交指示劑)共同構成的檢測特定基因的裝置。其工作原理是利用固定在電極表面的某一特定序列的ssDNA與溶液中的同源序列的特異識別作用

30、(分子雜交)形成雙鏈DNA(dsDNA)(電極表面性質改變),同時借助一能識別ssDNA和dsDNA的雜交指示劑的電流響應信號的改變來達到檢測基因的目的。電化學DNA傳感器工作原理電化學DNA 傳感器是由一個支持DNA 片段(探針)的電極和檢測電化學活性識別元素(electrochemical recog2nition element) 構成1DNA 探針是單鏈DNA ( ss - DNA) 片段(或者一整條鏈) ,長度從十幾個到上千個核苷酸不等,它與靶序列(targets quince) 是互補的,一般多采用人工合成的短的寡聚脫氧核苷酸作為DNA 探針1 通常是將ss -DNA (探針分子)

31、 修飾到電極表面構成DNA 修飾電極1由于ss - DNA 與其互補靶系列雜交具有高度的序列選擇性,使得這種ss - DNA 修飾電極呈現極強的分子識別功能1 在適當的溫度、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 (ds -DNA) ,從而導致電極表面結構的改變1 這種雜交前后的結構差異,可以通過具有電活性的雜交指示劑來識別,從而達到了檢測靶序列(或特定基因) 的目的 電化學DNA傳感器分類DNA 修飾電極是電化學DNA 傳感器的重要部分, 該類傳感器也多以此進行分類。ssDNA 修飾(或固定) 到電極上的方法, 現有的文獻報道主要集中在自組裝膜法、

32、吸附結合法、表面富集法共價鍵結合法、化學免疫法、組合法、生物素- 親和素反應法和LB 膜法等。本文主要敘述以下幾種:.1吸附結合法該方法是將碳糊電極放到含DNA探針分子的乙酸緩沖溶液中在一定電位下活化電極, 然后在控制電位下吸附富集探針分子, 最后用磷酸緩沖溶液淋洗后便可使用。其特點是簡單、靈活, 但定性不夠。.2自組裝膜法即基于分子的自組作用, 在固體表面自然形成高度有序的單分子層膜的方法。在DNA 技術中, 一般是利用帶巰基( SH) 的化合物在金電極表面上可以形成自組裝單分子膜的特性來固核酸。其特點是表面結構高度有序, 穩定性好, 有利于雜交; 但對巰基化合物修飾的DNA 的純度要求高,

33、 分離提純操作較煩瑣。.3共價鍵結合法該法首先對電極進行活化預處理, 以引入活性鍵合基團, 然后進行表面的有機合成, 通過共價鍵合反應把探針分子修飾到電極表面。劉盛輝等成功地利用乙基- (3 - 二甲基丙基) 碳二亞胺鹽酸鹽( EDC) 作為偶聯活化劑,將ss - DNA 共價固定到石墨電極表面13.4 組合法該法是將化學修飾劑與電極材料混合以制備組合修飾電極。Millan14 將18- 烷基胺或18- 烷基酸混入碳糊中, 得到修飾的碳糊電極。在DEC存在下, 18- 烷基胺的氨基與ssDNA 5末端的磷酸基形成磷酰氨鍵, 并將其固定在電極上。 電化學DNA傳感器應用.1 用于DNA序列的測定

34、人類的遺傳染病和某些傳染病的早期診斷基于已知非正常堿基序列的檢測。但傳統的特定序列分析存在著耗時、費力、昂貴、難以自動化等缺點。而有順序選擇性的電化學傳感技術能快速檢測特定序列, 且成本低廉、易于集成化和自動化, 因而受到廣泛關注。.2用于環境監瀏利用電化學的傳感器可對一些污染物、致癌物進行分子識別的研究。其研究價值在于建立一些物質快速、靈敏的電化學檢測方法, 探討與其它分子的相互作用機理。.3用于藥物的檢測和篩選及其抗病機理的研究許多藥物與核酸之間存在可逆作用,而且核酸是當代新藥發展的首選目標，電化學DNA 生物傳感器除了可用于特定基因的檢測外,還可以用于一些DNA 結合藥物的檢測以及新型藥

35、物分子的設計。藥物結構對響應的影響是DNA修飾電極研究藥物與DNA相互作用的基礎。羅濟文15等人研究了道諾霉素(DNM) 在小牛胸腺DNA 修飾石墨粉末微電極上的電化學行為, 提出了測定微量DNM的方法, DNM濃度在1. 0 10 - 71. 0 10 - 5 mol/ L 之間, 其微分脈沖伏安(DPV) 峰電流與濃度有良好的線性關系, 檢出限為5. 0 10 - 8 mol/ L , 并以此為基礎提出了一種測定人尿中痕量DNM的方法。該方法簡單、快速、靈敏度較高。4結束語生物電化學傳感器是極具有發展潛力的學科領域，作為知識經濟的新增長點，它將促進生物技術產業和常規生物產業的發展，可為許多

36、經濟領域提供不可缺少的信息。新的快速分析方法、新的生物儀器設備的來源、生物傳感器與納米技術、信息技術、微電子技術的交叉，將促使更多、更新的生物傳感器的產生。未來的生物傳感器將會和計算機完美緊密的結合，能夠自動采集數據、處理數據，更科學、更準確地提供結果，實現采樣、進樣、最終完成檢測的自動化系統。同時，芯片技術也將越來越多地進入傳感器領域，實現檢測系統的集成化、一體化。參考文獻：1 侯新樸主編. 物理化學. 北京. 第6版. 人民衛生出版社，2007.2 Campanella L，Cubadda F，Sammartino M P，et a1An algal biosensor for the monitoring of water toxicity in estuarine enviraonmentsJWater Research，2001，35(1)：69763 姚贊，文盂良生物傳感器的發展與市場化J傳感器技術，1999，18(2)：134 FENG DerongBiosensors and their application in the Peoples Republic of ChinaJAdvances I