生物電化學(xué)研究進(jìn)展-含電化學(xué)傳感器-作者：2014.12.14一門(mén)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01什么是生物電化學(xué)？生物電化學(xué)是一門(mén)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(mén)學(xué)科交叉形成的一門(mén)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(mén)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)域生物膜與生物界面模擬研究生物電化應(yīng)用技術(shù)電化學(xué)生物傳感器和生物分子器件生物能學(xué)和代謝過(guò)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模擬研究電化學(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(chǎng)加速作物生長(zhǎng)、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、骨骼的電生長(zhǎng)、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(kāi)創(chuàng)的治療癌癥的新方法。其原理是:在直流電場(chǎng)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(jiǎn)便、有效。生物電化應(yīng)用技術(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(shì)或電流為特征檢測(cè)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)雜體系組成信息的理想分析工具。圖C電化學(xué)葡萄糖傳感器電化學(xué)生物傳感器和生物分子器件

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(guò)程例：光合作用作為整個(gè)過(guò)程，包括了吸收光子后的電子激發(fā)過(guò)程、膜電位的產(chǎn)生、電子和質(zhì)子的轉(zhuǎn)移過(guò)程，以及隨后的一系列代謝反應(yīng)。生物能學(xué)和代謝過(guò)程電化學(xué)生物傳感器電化學(xué)生物傳感器的基本原理電化學(xué)生物傳感器的分類四種電化學(xué)生物傳感器的研究進(jìn)展電化學(xué)生物傳感器在生物醫(yī)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(cè)到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電化學(xué)信號(hào)。電化學(xué)生物傳感器的基本原理根據(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?jìng)鞲衅骱怂徇m體傳感器免疫傳感器微生物傳感器電化學(xué)生物傳感器的分類親水性基團(tuán)與酶之間導(dǎo)電性及相互作用的概念模型1、電化學(xué)酶?jìng)鞲衅?、電化學(xué)核酸適體傳感器易標(biāo)記、高特異性、高選擇性、小分子量、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(cè)DNA示意圖電化學(xué)DNA傳感器檢測(cè)DNA示意圖3、電化學(xué)免疫傳感器夾層式免疫傳感器組裝過(guò)程示意圖無(wú)標(biāo)記電化學(xué)免疫傳感器制作過(guò)程示意圖操作簡(jiǎn)單、快速、靈敏、低成本、易集成化和小型化4、電化學(xué)微生物傳感器微生物傳感器的構(gòu)建是通過(guò)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(guò)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(cè)時(shí)間短(5h)，并且分析過(guò)程極其簡(jiǎn)單。電化學(xué)生物傳感器在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用基因診斷腫瘤標(biāo)志物測(cè)定藥物分析生物電化應(yīng)用技術(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(cè)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(lái)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(cè)DNA序列。通過(guò)雜交鏈?zhǔn)椒磻?yīng)和三氯化六銨合釕載體構(gòu)造出樹(shù)枝狀DNA串聯(lián)體以達(dá)到增強(qiáng)信號(hào)的目的，檢測(cè)限可達(dá)5aM，這種無(wú)酶、無(wú)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(cè)定禽流感病毒H5N1中血球凝集素的DNA序列和神經(jīng)氨酸苷酶的DNA序列?；蛟\斷腫瘤標(biāo)志物測(cè)定超靈敏微流控陣列檢測(cè)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(guò)程具有密切關(guān)系。電化學(xué)分析是檢測(cè)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(cè)定。這種電化學(xué)免疫傳感器具有成本低、制作簡(jiǎn)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(lái)越重要。近年來(lái)，電化學(xué)生物傳感器在藥物分析中的應(yīng)用受到越來(lái)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)適體傳感器。這種電化學(xué)傳感器可用于可卡因的檢測(cè)，具有良好的選擇性，檢測(cè)底限可達(dá)33nM?；谒拿骟w修飾電極的電化學(xué)適體傳感器檢測(cè)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(kāi)發(fā)出一種新型的檢測(cè)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200μL的樣品中檢測(cè)限可達(dá)到8×10－4HAU，并且具有制作簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)。可用于H5N1病毒檢測(cè)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(kāi)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)境監(jiān)測(cè)、食品和藥物分析等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。近年來(lái)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(cè)。因此開(kāi)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)生物傳感器的研究進(jìn)展[J].分析測(cè)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(guó)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]ChenA,ChatterjeeS.Nanomaterialsbasedelectrochemicalsensorsforbiomedicalapplications[J].ChemicalSocietyReviews,2013,42:5425-5438.[6]