生物電化學(xué)研究進(jìn)展(含電化學(xué)傳感器)

1、生物電化學(xué)研究進(jìn)展- -含電化學(xué)傳感器- -作者：作者：2014.12.142014.12.14一門應(yīng)用電化學(xué)及實(shí)驗(yàn)方法研究生物現(xiàn)象的邊緣分支學(xué)科0 1什么是生物電化學(xué)？ 生物電化學(xué)是一門應(yīng)用電化學(xué)及實(shí)驗(yàn)方法研究生物現(xiàn)象的邊緣分支學(xué)科，是20世紀(jì)70年代由電生物學(xué)、生物物理學(xué)、生物化學(xué)以及電化學(xué)等多門學(xué)科交叉形成的一門獨(dú)立的學(xué)科。是用電化學(xué)的基本原理和實(shí)驗(yàn)方法，在生物體和有機(jī)組織的整體以及分子和細(xì)胞兩個(gè)不同水平上研究或模擬研究電荷（包括電子、離子及其他電活性粒子）在生物體系和其相應(yīng)模型體系中分布、傳輸和轉(zhuǎn)移及轉(zhuǎn)化的化學(xué)本質(zhì)和規(guī)律的一門新型學(xué)科，是生命科學(xué)最基礎(chǔ)的學(xué)科之一。生物電化學(xué)的研究領(lǐng)域生

2、物膜與生物界面生物膜與生物界面模模擬研究擬研究生物電化生物電化應(yīng)用技應(yīng)用技術(shù)術(shù)電化電化學(xué)學(xué)生物傳感器和生物生物傳感器和生物分子分子器件器件 生物生物能學(xué)能學(xué)和代謝和代謝過程過程021、2、3、4、主要研究膜的電化學(xué)熱力學(xué)性質(zhì)、物質(zhì)的跨膜傳輸和生物電的傳遞等現(xiàn)象。例：液/液界面模擬生物膜的電化學(xué)研究。圖a 納米粒子在油水界面可控的往返穿梭，模擬穿越生物膜生物膜與生物界面生物膜與生物界面模模擬研究擬研究 電化學(xué)方法在生命科學(xué)中已得到廣泛應(yīng)用，主要有：電脈沖基因直接導(dǎo)入、電場加速作物生長、癌癥的電化學(xué)療法、電化學(xué)控制藥物釋放、在體研究的電化學(xué)方法、生物分子的電化學(xué)行為、血栓和心血管疾病的電化學(xué)研究、

3、骨骼的電生長、心電圖和腦電圖的研究、生物電池等。例：癌癥的電化學(xué)療法是瑞典放射醫(yī)學(xué)家Nordenstrom開創(chuàng)的治療癌癥的新方法。其原理是:在直流電場作用下，引起癌灶內(nèi)一系列生化變化,使其組織代謝發(fā)生紊亂，蛋白質(zhì)變性、沉淀壞死，導(dǎo)致癌細(xì)胞破滅。此療法已推廣用于肝癌、皮膚癌等的治療。對(duì)體表腫瘤的治療尤為簡便、有效。生物電化生物電化應(yīng)用技應(yīng)用技術(shù)術(shù)圖b癌癥的電化學(xué)療法 電化學(xué)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(zhuǎn)換元件，以電勢或電流為特征檢測信號(hào)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(xué)生物傳感器具有高度選擇性，是快速、直接獲取復(fù)

4、雜體系組成信息的理想分析工具。圖C電化學(xué)葡萄糖傳感器電化電化學(xué)學(xué)生物傳感器和生物生物傳感器和生物分子分子器件器件 包括酶催化的氧化還原反應(yīng)的力能學(xué)、線粒體呼吸鏈、光氧化還原反應(yīng)和光合作用。圖d：線粒體呼吸鏈電子和質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程例：光合作用作為整個(gè)過程，包括了吸收光子后的電子激發(fā)過程、膜電位的產(chǎn)生、電子和質(zhì)子的轉(zhuǎn)移過程，以及隨后的一系列代謝反應(yīng)。生物生物能學(xué)能學(xué)和代謝和代謝過程過程電化學(xué)生物傳感器電化電化學(xué)學(xué)生物傳感器生物傳感器的的基基本本原理原理電化電化學(xué)學(xué)生物傳感器生物傳感器的分類的分類四四種種電化電化學(xué)學(xué)生物傳感器生物傳感器的的研究研究進(jìn)展進(jìn)展電化電化學(xué)學(xué)生物傳感器生物傳感器在在生物醫(yī)生物醫(yī)

5、學(xué)中的應(yīng)用學(xué)中的應(yīng)用031、2、3、4、 電化學(xué)生物傳感器主要分為生物分子識(shí)別元件和信號(hào)轉(zhuǎn)換元件兩部分。識(shí)別元件(如酶、微生物、組織、抗體抗原、核酸和細(xì)胞等) 信號(hào)轉(zhuǎn)換元件將識(shí)別元件檢測到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為可測量的電化學(xué)信號(hào)。電化電化學(xué)學(xué)生物傳感器生物傳感器的的基基本本原理原理根據(jù)生物分子識(shí)別元件的生物敏感膜的不同，電化學(xué)生物傳感器大致可分為： 酶傳感器 核酸適體傳感器 免疫傳感器 微生物傳感器電化電化學(xué)學(xué)生物傳感器生物傳感器的分類的分類親水性基團(tuán)與酶之間導(dǎo)電性及相互作用的概念模型1 1、電化電化學(xué)學(xué)酶傳感器酶傳感器2 2、電化電化學(xué)學(xué)核酸適核酸適體體傳感器傳感器易標(biāo)記、高特異性、高選擇性、小分子量

6、、良好穩(wěn)定性、適用范圍廣基于單壁碳納米管的電化學(xué)生物傳感器檢測DNA 示意圖電化學(xué)DNA 傳感器檢測DNA 示意圖3 3、電化電化學(xué)學(xué)免免疫傳感器疫傳感器夾層式免疫傳感器組裝過程示意圖無標(biāo)記電化學(xué)免疫傳感器制作過程示意圖操作簡單、快速、靈敏、低成本、易集成化和小型化4 4、電化電化學(xué)學(xué)微生物傳感器微生物傳感器 微生物傳感器的構(gòu)建是通過化學(xué)方法(共價(jià)結(jié)合和交叉耦合)或物理方法(吸附和包埋)將微生物固定在傳感器或基底電極上。Toh 課題組通過脂多糖特異性抗體與巰基乙酸修飾的金電極共價(jià)結(jié)合構(gòu)建了一種高靈敏電化學(xué)微生物傳感器。這種傳感器在監(jiān)控大腸桿菌的噬菌體感染方面表現(xiàn)出色，所需檢測時(shí)間短(5 h)，

7、并且分析過程極其簡單。電化電化學(xué)學(xué)生物傳感器生物傳感器在在生物醫(yī)生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用學(xué)中的應(yīng)用基因診基因診斷斷腫瘤腫瘤標(biāo)標(biāo)志物測定志物測定藥物藥物分分析析生物電化生物電化應(yīng)用技應(yīng)用技術(shù)術(shù)041、2、3、4、基因診斷能夠從分子結(jié)構(gòu)水平和表達(dá)水平檢測出基因的異常，從而對(duì)疾病做出判斷。電化學(xué)生物傳感器可以直接識(shí)別堿基序列并區(qū)別單堿基錯(cuò)配序列，在基因診斷中得到越來越多的應(yīng)用。雜交鏈?zhǔn)椒磻?yīng)方法可應(yīng)用于電化學(xué)生物傳感器檢測DNA 序列。通過雜交鏈?zhǔn)椒磻?yīng)和三氯化六銨合釕載體構(gòu)造出樹枝狀DNA 串聯(lián)體以達(dá)到增強(qiáng)信號(hào)的目的，檢測限可達(dá)5aM，這種無酶、無標(biāo)記的新型DNA 傳感器為基因診斷提供了一種新思路?？捎糜跍y定

8、禽流感病毒H5N1中血球凝集素的DNA序列和神經(jīng)氨酸苷酶的DNA 序列。基因診斷腫瘤標(biāo)志物測定超靈敏微流控陣列檢測原理示意圖 腫瘤標(biāo)志物的含量與腫瘤的發(fā)生與歸轉(zhuǎn)過程具有密切關(guān)系。電化學(xué)分析是檢測腫瘤標(biāo)志物最有前景的方法之一。電化學(xué)微流控陣列可用于口腔癌四種蛋白標(biāo)志物的同時(shí)測定。這種電化學(xué)免疫傳感器具有成本低、制作簡單、靈敏度高和選擇性好等優(yōu)點(diǎn)，為口腔癌的診斷和個(gè)體化治療提供了一種新方法。藥物分析 隨著新型藥物的陸續(xù)研發(fā)，對(duì)藥物質(zhì)量的檢查與控制也越來越重要。近年來，電化學(xué)生物傳感器在藥物分析中的應(yīng)用受到越來越多的關(guān)注。樊春海課題組利用四面體DNA 納米結(jié)構(gòu)修飾電極表面，構(gòu)建了一種新型的電化學(xué)適體

9、傳感器。這種電化學(xué)傳感器可用于可卡因的檢測，具有良好的選擇性，檢測底限可達(dá)33 nM?；谒拿骟w修飾電極的電化學(xué)適體傳感器檢測可卡因原理示意圖細(xì)菌及病毒感染類疾病診斷細(xì)菌及病毒感染是引起人類疾病的主要原因之一。Fu 等利用酶催化反應(yīng)在超低離子強(qiáng)度介質(zhì)中可引起離子強(qiáng)度增加的特性，開發(fā)出一種新型的檢測禽流感病毒H5N1 的電化學(xué)生物傳感器。這種電化學(xué)生物傳感器在200 L 的樣品中檢測限可達(dá)到8104HAU，并且具有制作簡便的優(yōu)點(diǎn)?？捎糜贖5N1 病毒檢測電化學(xué)生物傳感器原理示意圖05 總結(jié) 電化學(xué)生物傳感器開辟了電化學(xué)與分子生物學(xué)研究的新領(lǐng)域，為生命科學(xué)的研究提供了一種全新方法，在生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境

10、監(jiān)測、食品和藥物分析等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。近年來隨著各種新材料與新技術(shù)的引進(jìn)，電化學(xué)生物傳感技術(shù)也得到飛速發(fā)展。然而，當(dāng)前電化學(xué)生物傳感器的研究絕大多數(shù)還處于基礎(chǔ)研究階段，生物識(shí)別元件的壽命、穩(wěn)定性及非特異性結(jié)合依舊是其一個(gè)大缺陷。此外，在微型化和納米界面的高通量生物傳感應(yīng)用方面仍然缺乏研究，不能完全實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的生物樣品的實(shí)時(shí)、快速、超靈敏檢測。因此開發(fā)低成本與集成化的高通量電化學(xué)生物傳感器是當(dāng)前及今后的重點(diǎn)研究方向。隨著電化學(xué)生物傳感器多元化的發(fā)展與新技術(shù)的不斷成熟，電化學(xué)生物傳感器在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)⒕哂懈鼜V闊的應(yīng)用前景。1 王宗花,郭新美,夏建飛,張菲菲,夏延致,李延輝. 基于納米材料電化學(xué)生物

11、傳感器的研究進(jìn)展J. 分析測試學(xué)報(bào),2011,11:1216-1223.2 毛斌,韓根亮,馬莉萍,劉斌,高曉平,李工農(nóng),劉國漢. DNA電化學(xué)生物傳感器的原理與研究進(jìn)展J. 化學(xué)傳感器,2009,01:9-15.3 李曉霞,申麗華,漆紅蘭. 適體電化學(xué)生物傳感器研究進(jìn)展J. 傳感器與微統(tǒng),2007,12:8-11.4 張義紅,許文靜,楊坤. 電化學(xué)生物傳感器的研究進(jìn)展J. 集成技術(shù),2014,05:19-27.5 Chen A, Chatterjee S. Nanomaterials based electrochemical sensors for biomedical applications J. Chemical Society Reviews, 2013, 42: 5425-5438