电化学DNA生物传感器及其应用的专利技术分析

合集下载

电化学生物传感器及其制备方法发明专利

电化学生物传感器及其制备方法技术领域本发明涉及分析领域，具体涉及一种电化学生物传感器及其制备方法。

背景技术生物传感器是利用电化学原理，把酶，抗体，抗原，微生物，核酸等生物活性物质作为敏感元件，将其浓度转化为电信号来快速，准确，方便测量生物物质含量的分析系统，其构成材料必须具有特定的性质，从而在体内发挥作用，并提供适宜的信号。

电化学生物感应器已经被广泛应用于临床诊断、食品和药品分析以及环境控制等领域。

近年来，葡萄糖传感器，尤其是可植入式葡萄糖传感器受到人们的广泛关注。

这类传感器在临床应用中具有重要意义，特别式在监测糖尿病方面有重要的应用价值。

基于过氧化氢电极的葡萄糖传感器具有很强的吸引力是因为它结构简单，适用于植入式监测。

这类传感器的基本原理是，在葡萄糖氧化酶的参与下，氧气将葡萄糖氧化为葡萄糖酸和过氧化氢，然后通过过氧化氢和电极发生电化学反应产生的信号强度来计算葡萄糖的含量。

葡萄糖氧化酶或者乳酸氧化酶的电极扎入人体后，酶会脱落，使信号降低，因此人体需要频繁更换电极，造成痛苦。

过去十几年中，人们尝试各种方法来解决酶的固定化的问题。

但是目前固定的方法很复杂，并且固化效果不好。

发明内容基于此，本发明的目的是提供一种在体内监测长时间不脱落不降解，可以长时间保持电流稳定的电化学生物传感器。

具体技术方案如下：一种电化学生物传感器，包括工作电极，在所述工作电极上依次形成有酶层、载体层和交联层；所述酶层包括葡萄糖氧化酶或乳酸氧化酶；所述载体层由包括壳聚糖、二氧化硅、琼脂糖、和海藻酸或其盐中至少一种的原料制备而成；所述交联层由包括交联剂的原料制备而成。

在其中一些实施例中，所述壳聚糖为羧甲基壳聚糖。

在其中一些实施例中，所述海藻酸或其盐为海藻酸钠。

在其中一些实施例中，所述载体层由包括海藻酸钠的原料制备而成。

在其中一些实施例中，制备所述载体层的原料还包括羧甲基壳聚糖、二氧化硅和琼脂糖中的至少一种。

在其中一些实施例中，制备所述载体层的原料还包括羧甲基壳聚糖、二氧化硅和琼脂糖中的至少二种。

新型DNA电化学生物传感器的研制及纳米材料在其中的应用研究

新型DNA电化学生物传感器的研制及纳米材料在其中的应用研究【摘要】：随着基因的结构与功能的研究不断深入，特别是人类基因组计划(HGP)的发展，基因的分离及分析检测在卫生防疫、医学诊断、药物研究、环境科学及生物工程等领域发挥着越来越重要的作用。

许多新的生物技术的开发，为发展高灵敏度、高特异性的生物分析检测方法注入了活力，其中利用DNA分子间的特异性互补配对规律发展起来的各种DNA生物传感技术，引起了国内外生物分析工作者的广泛关注。

DNA电化学生物传感器是一门新兴的，涉及生物化学、电化学、医学及电子学等领域的交叉学科，它提供了一种全新的DNA(基因)检测技术，具有简单、可靠、价廉、灵敏和选择性好等优点，并且与目前的DNA生物芯片技术兼容，在分子生物学和生物医学工程领域具有很大的实际意义和应用价值。

与传统的同位素标记基因检测技术方法相比，它具有快速、准确、操作简便、无污染的特点，并且与其他DNA生物传感器一样，不仅具有分子识别功能，而且还有无可比拟的分离纯化基因的功能，在疾病基因诊断、抗癌药物的筛选、环境监测、法医鉴定及食品卫生检验等方面显示了广阔的应用前景，已成为当今生物学、医学领域的前沿性课题。

纳米材料被认为是跨世纪材料研究领域的热点，有“21世纪最有前途的材料”之美誉。

当物质的结构单元进入纳米量级(1～100nm)时，其本身具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应，因而展现出许多特有的性质，在催化、光吸收、生物医药、磁介质及新材料等方面得到了广泛的应用。

纳米颗粒的比表面积大、表面反应活性高、催化效率高、吸附能力强等这些优异性质，为生物医学研究提供了新的研究途径。

本论文的主要创新之处就是将纳米技术、核酸分子杂交技术与电化学分析技术相结合，研制具有高灵敏度高选择性的基于纳米材料修饰的新型DNA摘要新型DNA电化学生物传感器的研制及纳米材料在其中的应用研究电化学生物传感器，成功地应用于对特定序列DNA片断的选择性测定和对DNA链中的碱基尤其是单个碱基突变的快速、灵敏和准确的识别，为基因的快速分析测定提供了一种简便、快捷、廉价的检测装置。

生物传感器的研究及应用分析

生物传感器的研究及应用分析近年来，生物传感器领域的研究得到了积极的发展。

生物传感器具有高灵敏度、高选择性、易操作、快速响应等优点，被广泛应用于生物医学、环境监测、食品安全等领域。

本文将对生物传感器的研究进展及其应用进行分析。

1. 生物传感器的研究进展生物传感器是指利用生物体内的生物反应和识别机制转换成电学信号或光学信号，实现对化学分子、微生物、细胞等生物体成分的定量或定性分析的一种小型化、电子化分析仪器。

其研究涉及到多学科，包括生物学、化学、物理学、电子学等领域。

1.1 生物传感器的发展历程20世纪70年代，西班牙科学家Bergveld首次将离子选择性电极于生物检测中引入，提出了离子选择电极生物传感器的概念。

20世纪80年代，以医用传感器和支持生物分析的酶传感器为代表的生物电传感器开始成为研究的热点。

20世纪90年代，光学生物传感器展现了威力，光纤和表面等离子体共振生物传感器被开发出来。

21世纪以来，纳米技术与生物传感器的结合，使生物传感器具有了更加灵敏、高速、小型化、多功能的特点。

1.2 生物传感器的技术难点生物传感器的研究仍存在一些技术难题，主要集中在以下几个方面：（1）灵敏度和选择性：生物传感器可探测的物质范围广泛，但灵敏度和选择性一直是制约其应用的难点。

（2）失效机制：生物分子与传感器的相互作用容易受到多种因素的影响，例如酶失活、抗体把持变性等，这些失效机制对于生物传感器的可重复性和稳定性具有很大的影响。

（3）设备复杂度：生物传感器采用了多种技术手段，例如血糖计应用的是电化学、光学和生物学的技术手段，但设备复杂度将导致其应用的成本较高。

2. 生物传感器的应用分析生物传感器具有广泛的应用前景，目前主要应用于生物医学、环境监测、食品安全等领域。

2.1 生物医学领域应用生物传感器在生物医学领域的应用主要是采用微型传感技术，能够对细胞的生命活动进行实时的监测。

例如，可以通过检测生物样本中特异性抗原和抗体计量的方法来诊断和鉴定种类和病理状态。

基于电化学原理的生物传感器技术研究

基于电化学原理的生物传感器技术研究随着生物传感器技术的快速发展，人们的生活和健康水平得到了提高。

生物传感器是一种能够检测生物分子和微生物的设备，它具有高灵敏度、高选择性、实时监测和易于操控等特点。

其中，基于电化学原理的生物传感器技术具有广泛的应用前景，并成为了当前生物传感器技术的主要研究方向。

一、电化学原理电化学原理指的是：把化学反应和电流流动相结合的学科领域。

在电化学过程中，体系内的物质改变其氧化还原状态，最终可以被转化为电流。

这种电流可以在电化学传感器中被测量，并用作信号输出。

二、生物传感器生物传感器是一种能够检测生物分子和微生物的设备，它由生物识别元件和信号转换元件构成，可以将生物识别元件（如酶、抗体、核酸、细胞等）与信号转换元件（如电化学、光学、荧光等）相结合，以生物分子相互结合或代谢反应等为基础，将生物学的特异性转化为电化学、光学等信号，实现对指定分子或微生物的检测。

三、基于电化学原理的生物传感器基于电化学原理的生物传感器技术是一种非常有前途的技术，已经广泛应用于医学、环境监测、食品安全、农业等领域。

它的工作原理是通过生物识别元件与电化学信号转换元件的相互作用，将生物分子的识别和信号转化相结合，实现了高灵敏度、高选择性、实时监测和易于操控等特点。

针对不同的生物样品（如血清、尿液、环境水样等），可以采用不同类型的电化学传感器进行检测。

四、电化学生物传感器的分类电化学生物传感器主要分为电阻生物传感器、电容生物传感器、电流生物传感器和电位生物传感器四类。

它们都是通过化学反应转化为电信号，实现特定生物分子的检测。

1.电阻生物传感器电阻生物传感器是利用电极表面电阻的变化实现生物检测的传感器，可以通过改变电极表面的电阻来检测生物分子的含量，常用于检测抗原、抗体、DNA等。

2.电容生物传感器电容生物传感器是利用电化学系统中的电容变化来检测生物分子，主要应用于检测细胞。

3.电流生物传感器电流生物传感器是利用电化学系统中产生的电流信号来检测生物分子，是较为常见的一种生物传感器，常用于检测葡萄糖、胆碱酯酶等。

电化学生物传感器的原理与应用技巧

电化学生物传感器的原理与应用技巧随着科技的不断进步和人们对健康的关注度增加，生物传感器作为一种高灵敏度、高选择性的检测技术，得到了广泛的应用。

其中，电化学生物传感器以其简单、快速、灵敏的特点，成为研究和应用领域中备受关注的技术。

本文将介绍电化学生物传感器的原理和应用技巧，希望能为相关领域的研究者和工程师提供一些参考。

一、电化学生物传感器的原理电化学生物传感器是利用生物分子与电极表面之间的相互作用，通过测量电化学信号来检测和分析生物分子的一种技术。

其原理主要包括两个方面：生物分子识别和电化学信号转换。

生物分子识别是电化学生物传感器的核心。

通过特定的生物分子与待测分子的识别和结合，实现对待测分子的检测。

常用的生物分子包括酶、抗体、核酸等。

这些生物分子通过与待测分子的相互作用，产生特定的信号变化，从而实现对待测分子的检测和分析。

电化学信号转换是将生物分子的识别过程转化为电化学信号的变化。

常用的电化学信号转换方式包括电流、电压和电阻等。

通过将生物分子与电极表面进行相互作用，改变电极表面的电化学性质，从而引起电流、电压或电阻的变化。

这种变化可以通过电化学方法进行测量和分析，从而实现对待测分子的检测。

二、电化学生物传感器的应用技巧1. 选择合适的生物分子：在设计电化学生物传感器时，选择合适的生物分子非常重要。

生物分子应具有高度的选择性和灵敏度，能够与待测分子发生特异性的相互作用。

同时，生物分子的稳定性和可重复性也需要考虑，以确保传感器的稳定性和可靠性。

2. 优化电极表面性质：电极表面的性质对电化学生物传感器的性能有着重要影响。

通过优化电极表面的结构和化学性质，可以增强生物分子与电极表面的相互作用，提高传感器的灵敏度和选择性。

常用的方法包括修饰电极表面的化学修饰和纳米材料修饰等。

3. 选择合适的检测方法：电化学生物传感器常用的检测方法包括循环伏安法、恒定电位法和阻抗谱法等。

选择合适的检测方法可以提高传感器的灵敏度和检测范围。

电化学生物传感器的研究及应用

电化学生物传感器的研究及应用随着生物学的发展，生物传感器得到广泛的重视。

电化学生物
传感器作为一种新型的传感器，在生物医学、环境监测、食品安
全等领域得到了广泛的应用。

电化学生物传感器是一种能够将生物分子识别和信号转化为电
信号的传感器。

它主要由生物识别元件、传感器、信号转换器和
数据分析系统组成。

它的工作原理是利用生物分子与传感器表面
的生物识别元件相互作用来实现目标物分析的选择性检测，并将
其转换成电信号输出。

近年来，电化学生物传感器已经在多种领域得到了广泛的应用。

在医学方面，电化学生物传感器能够检测糖尿病、癌症等疾病，
提高诊断效率。

在环境监测方面，电化学生物传感器能够检测水质、大气颗粒物、土壤污染等，保障环境安全。

在食品安全方面，电化学生物传感器能够检测食品中的有害物质，保障人们的健康。

同时，电化学生物传感器也存在着一些问题和挑战。

其中之一
就是如何提高检测灵敏度和选择性。

目前，有许多的研究都在探
索如何利用纳米技术和分子识别技术来提高传感器的灵敏度和选
择性。

此外，电化学生物传感器的稳定性和反应速度也是需要进一步优化的问题。

总之，电化学生物传感器具有广泛的应用前景。

未来，我们可以期待在生物医学、环境监测、食品安全等领域看到更多电化学生物传感器的应用。

同时，我们也需要进一步加强研究，解决当前电化学生物传感器存在的问题和挑战，推动电化学生物传感器技术的发展和应用。

电化学生物传感器技术的应用

电化学生物传感器技术的应用电化学生物传感器技术是一种介于电子工程、化学和生物学之间的交叉学科技术，它结合了化学生物学和电化学技术，开发出一种新型的分析仪器，被广泛应用于医疗、食品安全监测、环境监测和生命科学等领域。

本文将从基本概念、应用领域和技术挑战等方面进行简单介绍。

一、基本概念电化学生物传感器技术是一种基于电化学理论和生物学原理的新型传感技术，它是一种集电化学和生物学于一体的传感器技术，通过将某种感测生物分子（如酶、抗体、核酸等）与电极表面上的识别元素（如导电聚合物、离子交换膜、金属粒子等）结合起来，构建电化学传感器，利用生物分子在电化学电极表面上的特异性识别作用，对生物目标物进行检测。

通过获得电化学信号的变化，实现对物质浓度、生理状态、生物反应等生物信息的检测和分析。

二、应用领域1. 医疗领域电化学生物传感器技术在医疗领域中的应用有很大的前景，它可以用于生物分子的检测，如葡萄糖、乳酸、心肌肌钙蛋白等。

比如，可以使用电化学生物传感器检测血液中的葡萄糖含量，这对于糖尿病患者的监测控制非常有帮助。

2. 食品安全监测电化学生物传感器技术可以用于食品中有害物质的检测，例如辣椒中的胶体银和肉类中的餐具微粒。

这种技术可以用来检测农产品、奶制品、水果等，从而提高食品安全水平。

3. 环境监测电化学生物传感器技术可以用于环境监测领域，例如检测化学污染物、有机污染物、重金属等物质在大气、水体等环境中的含量。

也可以用于检测生物污染，例如检测大肠杆菌、双歧杆菌等生物在水体中的含量等。

4. 生命科学电化学生物传感器技术可用于一系列工业和生命科学应用，例如探究生物体内产生的电化学反应、细胞代谢过程等，也可以用于分析生物样品中的蛋白质、核酸等分子的浓度变化，特别适用于高通量筛查和蛋白质芯片等技术的发展。

三、技术挑战电化学生物传感器技术的研发和应用仍面临一些技术挑战。

例如，在大多数电化学生物传感器中，电极表面的生物体中的活性中心对化学的稳定性和选择性具有非常高的需求，这需要在研发过程中保障最佳的环境条件和生物体保持最佳的稳定性。

新型dna电化学生物传感器的研制及纳米材料在其中的应用研究

新型dna电化学生物传感器的研制及纳米材料在其中的应
用研究
新型DNA电化学生物传感器是一种基于电化学技术的高灵敏、高选择性的检测手段，可以实时、准确地检测DNA分子的含量、序列及突变情况等信息。

纳米材料在其中的应用研究起到了重要的作用。

传统的DNA检测方法需要进行PCR扩增和凝胶电泳等繁琐的操作。

而新型的DNA电化学生物传感器则可以通过简单的电化学实验进行检测，具有操作简便、检测迅速和准确性高等优点。

由于DNA 传感器对检测样品的灵敏度要求很高，纳米材料作为该领域的热门研究课题之一，因其表面积大、光电化学活性强、特异性强以及化学稳定性好等特点，被广泛应用于DNA电化学生物传感器的研究中。

例如，金纳米粒子、碳纳米管等纳米材料已广泛应用于DNA传感器制备中。

它们能够通过与DNA结合，在电化学信号的转导过程中发挥重要作用，使得检测灵敏度和特异性更加突出。

此外，纳米颗粒的形状、表面功能化、孔径和粒径等特性也可以通过改变材料的制备方法进行调节，进一步提高了DNA电化学生物传感器的性能。

总之，纳米材料在新型DNA电化学生物传感器中的应用研究，为基于电化学技术的生物传感器研发提供了新的思路和方法，为实现快速、准确、便捷的分子诊断技术做出了重要贡献。

电化学纳米生物传感器的研发与应用

电化学纳米生物传感器的研发与应用第一章：绪论随着生物技术的不断发展以及生物分子的快速检测需求的增加，电化学纳米生物传感器成为了一种很有前途的分析技术。

电化学纳米生物传感器利用了电化学技术中的一些基本原理，通过组合电化学方法和生物分子检测的特殊能力，能够提供高灵敏度、高选择性、便携式、实时和非侵入性等优点。

本文主要介绍电化学纳米生物传感器的研发与应用，包括测量生物分子和细胞的电化学特性，纳米制备技术和传感器构建方法等方面。

第二章：电化学纳米生物传感器的原理电化学纳米生物传感器是基于电化学原理和生物分子识别的技术。

与传统的化学传感器相比，纳米生物传感器具有更好的灵敏性和选择性。

它的工作机理主要包括三个部分：信号转换、生物分子识别和放大。

首先，传感器的信号转换部分包括了表面电化学反应、电流测量和Rhodamine B或者其他探针的发光测量等技术。

其次，生物分子识别部分是将具有高选择性的生物分子连接传感器表面，通过生物识别元件与靶分子发生特殊反应来实现特定分子的检测。

最后，放大部分可以通过扩散过程、电极制备和电极表面修饰等方式将生物分子与电化学信号联系在一起，从而实现信号放大和传感器的灵敏度提升。

第三章：电化学纳米生物传感器的制备方法电化学纳米生物传感器的制备方法是传感器性能的重要因素。

它的制备方法可以分为纳米制备和传感器构建两个方面。

在纳米制备方面，常用的方法有溶剂热法、水热法、超声波辅助溶剂热法、辛醇震荡还原法等。

在传感器构建方面，最常用的方法包括吸附法、共价辅助法和电极反应上提法等。

其中，共价辅助法是通过共价键结合将生物分子与电极表面相连，以达到高灵敏度和高选择性的检测。

第四章：电化学纳米生物传感器的应用电化学纳米生物传感器的应用范围非常广泛，可以用于环境检测、医疗诊断、药物研究等方面。

例如，在水中污染检测方面，电化学纳米生物传感器可以依据目标污染物的电化学特性，如电位、电子转移率、轨道能量等，实现对目标污染物的高灵敏度、高精度、快速准确检测。

DNA电化学生物传感器的研究与应用

Ξ　收稿日期:2009-06-11作者简介:谢灵珠(1974—),女,四川人,讲师,主要从事航空军械研究.DNA 电化学生物传感器的研究与应用Ξ谢灵珠1,杨　涛2,包小林3(1.海军航空工程学院青岛分院,山东青岛　266042;2.青岛科技大学,山东青岛　266042;3.青岛海军潜艇学院,山东青岛　266000)摘要:介绍了DNA 电化学生物传感器的原理和特点,对DNA 探针固定、杂交的指示的研究设计进展进行了综述,并对其在生物武器、基因疾病诊断、体外药物分析和筛选及环境检测进行了展望.关键词:DNA 电化学生物传感器;生物电化学分析中图分类号:T J6文献标识码:A 文章编号:1006-0707(2009)09-0119-06 脱氧核糖核酸(DNA )是遗传信息的载体,具有存储和传递信息的功能.对于核酸的分析在生物化学和生物分子学中具有极其重要的意义,但随着基因工程技术的飞速发展,传统的生化分析方法已不能满足其分析测试的需要.因此许多交叉学科的分析手段在生命科学领域的应用便引起了广泛关注.DNA 电化学生物传感器就是代表这种思想的一种崭新的技术构思,这类传感器凭借生物体内物质间的特异性亲和力能够快速、直接地识别特定序列的DNA ,既具有选择性好、种类多、测试费用低及适合联机化的优点,又具有电化学分析中简便、快速、灵敏的特点.DNA 电化学生物传感器在生物武器、遗传工程、环境检测和临床医学等领域具有重要的应用价值,采用生物传感器测定DNA 序列经过十几年的发展已成为电化学分析中的热点,许多课题组正致力于研究微型化高灵敏度的DNA 传感器.1　DNA 电化学生物传感器的基本原理和结构 DNA 电化学生物传感器的工作原理是:在适当的条件下,固定在电极表面上已知序列的单链DNA 片段(DNA 探针)与溶液中的待测DNA 发生杂交,利用两条互补单链DNA (ssDNA )间的特异性相互作用,使之形成双链DNA (ds 2DNA ).同时借助于能够识别ssDNA 和dsDNA 的杂交指示剂在杂交前后的电化学响应的改变,来定性检测目标基因是否存在;或者将待测基因固定在电极表面,然后与溶液中的已标定杂交指示剂的DNA 探针进行杂交来检测待测基因序列[1].一般而言,在一定范围内,指示剂的响应信号与待测DNA 的物质的量成线性关系,可据此来检测DNA 的含量,以达到定量测量的目的. 需要指出的是,DNA 非常适合做生物传感之用,因为互补碱基对之间的相互作用是特异性的,而且结合强烈,用单原子、功能基团或长侧链修饰过的核苷酸也可以进行碱基配对,这对于设计非放射性的传感器非常重要.同时DNA 电化学传感方式可以分为:直接DNA 电化学、间接DNA 电化学、DNA 特定的氧化还原的指示检测、纳米粒子的电化学放大、以DNA 为媒介的电子传递等方式,这几种方式各有优缺点(见表1),Deumm ond 等人[2]曾对此有详细的论述.DNA 电化学生物传感器的基本元件包括一个分子识别层和一个换能器.一条单链DNA 探针序列被固定在电极上形成识别层,DNA 探针是此类传感器的生物敏感元件,它是单链DNA 片段或整链,长度从十几个到上千个核苷酸不等,一般使用已被公认的可以识别出待测序列所需的最短序列,其碱基序列与被测DNA 片段的碱基互补;换能器即是杂交指示体系,它的功能是将DNA 杂交信息转化为电压、电流或电导等可以测定的电化学信号,并且对固定化的ssDNA 和dsDNA 具有选择性响应,根据其变化的有无和变化的程度就可以对样品中的DNA 结构和含量等信息加以测定.一般而言,利用DNA 电化学生物传感器测定DNA 的整个过程包括以下几个步骤[3]:第一是ssDNA 的固定,制备DNA 探针,这是此类传感器制作中的首要问题.第二是杂交过程,即寻找合适的杂交条件,使得互补的待测DNA 与探针DNA 相遇较易形成dsDNA ,并最大程度的减少错配.第三是杂交的指示,即如何将杂交信息转化成可以测量的电化学信号,此步也可与上步同时进行.最后是电化学信号的检测.其中DNA 探针的固定和杂交的指示是DNA 电化学生物传感器的关键.图1为原理示意图.第30卷　第9期四川兵工学报2009年9月表1　DNA 电化学传感方式的比较传感器类型优点缺点直接DNA 电化学灵敏度高(femtom oles of target )无需标记步骤,应用电极范围宽背景信号高,不能多元化,破坏样品间接DNA 电化学灵敏度高(attom oles of target )通常不需要标记步骤,在同一电极上可以检测多个目标探针层难于制备,破坏样品DNA 特定的氧化还原的指示检测中等灵敏度(femtom oles of target ),很适合多个目标检测,样品保持不变化学标记方法须用“三明治”法,序列变化可能有疑问纳米粒子的电化学放大特别灵敏(femtom ole to zepom ole range ,10-15to 10-21m oles )可应用不同的纳米粒子适合多个目标的检测检测步骤多,表面结构的可靠性和强度有疑问,通常破坏样品以DNA 为媒介的电子传递灵敏度高(femtom ole range )检测简单,无需标记,仅适用于错配检测,序列独立,适用多样化,适用于DNA 2protein 检测步骤需要对目标样品的生物化学处理图1　电化学传感器原理2　DNA 探针的固定2.1　基体电极根据基体电极类型的不同,核酸修饰电极(NAME )一般可分为两大类:①核酸修饰汞电极,此类电极有一定优势[4].但热变性和质子化的ssDNA 分子能强烈地吸附于汞电极[5],这种DNA 疏水性碱基与汞电极疏水性表面间的强烈作用使电极表面的探针无法与靶序列杂交[6],从而限制了汞电极的应用.②核酸修饰固体电极.近些年来,固体电极的研究和应用占有绝对优势,如M illan 等[7]1993年采用玻碳电极制作DNA 传感器.随后Hashim oto 等[8]、Hiroy oshi 等[9]发展了金电极并制得DNA 传感器;其他如石墨电极、碳糊电极[10]、石墨印刷电极[11]、浸蜡石墨电极[12]、充石蜡石墨微孔穴电极[13]、纳米金电极[14]、热解石墨电极[15]、铂电极[16]、锡参杂的铟氧化物电极[17]等也被研究和应用.2.2　DNA 探针通常多采用人工合成的寡聚脱氧核糖核酸作为探针.在适当的温度、pH 值、离子强度下,电极表面的探针与靶序列分子选择性杂交形成双链DNA ,导致电极表面物质结构发生变化,这种前后差异可以用具有电活性的指示剂来识别,从而达到检测靶序列或特定基因的目的.根据一般实验经验,在选择DNA 探针时应遵循以下原则[18]:①探针长度为18～50个碱基,过长的探针将消耗较长的杂交时间、具有较低的合成产率;过短的探针又将缺少特异性.②G 、C 碱基的组成在40%～60%之间最好,G 、C 碱基比率在此范围之外,非特异性杂交将增加.③在探针分子内不存在互补区,存在互补区可导致“发卡”结构,抑制探针杂交.④避免在探针序列中连续出现一个碱基多次重复的现象,(其长度>4)如GGGGG 等.2.3　DNA 探针在电极表面的固定方法探针在电极上的固定是DNA 电化学传感器制备中的关键步骤,目前主要有吸附法、共价键合法、自组装膜法、聚合法、组合法等.1)吸附法吸附法分为直接涂/浸吸附法和在一定电位下富集吸附法.例如,庞代文等[19]和Fei Y an 等[20]分别用直接涂/浸吸附法把探针固定在金电极上.庞代文等将ssDNA 固定到经过抛光、活化、超声波清洗的玻碳电极[21]或金电极上[22];徐春等[23]把探针在TE 溶液中+0.5V 富集吸附于预处理过的石墨电极上,Wang 等[24]Palecek 等[25]也多次用恒电位吸附富集DNA 探针.吸附法的优点是简单,但电极上固定的DNA 在杂交过程中可能脱附,而且DNA 探针的物理结构易发生扭曲,使正确杂交变得困难.2)共价键合法共价键合法一般分2步进行.首先是电极的预处理,以引入活性键合基团并活化,然后进行有机合成,通过共价键合反应把探针DNA 分子修饰到电极表面.因为碳质电极表面易于处理形成活性键合中心,所以共价键合法多用碳质电极做基底电极.M illan 等[7,26]研究发现,在氧化的玻碳电极表面,以水溶性的乙基2(32二甲基丙基)碳二亚胺盐酸盐(E DC )和N 2烃基磺基琥珀酰亚胺(NHS )作偶联活化剂,变性的小牛胸腺DNA 和多聚脱氧鸟苷酸多聚核糖胞苷酸[poly (dG )poly (dC )]片段通过与活化的电极表面O 2酰基异脲形成磷酰胺键共价结合在电极表面.Y ang 等[27]将玻璃表面经氨丙基三乙氧基硅烷(APTES )处理,一方面其水解产物与玻璃表面的硅醇基形成牢固的硅氧烷键,同时也产生氨基功能化表面,再与双功能试剂如戊二醛(G A )或对硝基苯氯甲酸酯(NPC )及马来酐(M A )反应,通过分子两端的功能基团分别021四川兵工学报与基质和DNA末端的衍生基团作用,在室温下成功固定5′2NH22DNA及5′2SH2DNA.刘盛辉等[28]用混酸氧化清洗好的石墨电极,在室温下用四氢化锂铝的乙醚溶液还原,使石墨电极表面的含氧基团全部转化为羟基.接着把电极洗净置入32氨基丙基三乙氧基硅烷的甲苯溶液中进行硅烷化,以导入2NH2.最后将含有E DC和ssDNA的咪唑缓冲液滴在电极表面以固定之.孙星炎等[29]采用先在石墨电极表面导入2NH2基的方法在石墨电极表面导入DNA片段.彭图治[12]将浸蜡石墨电极浸入K2Cr2O7和H NO3溶液中恒电位氧化,清洗后浸入E DC和NHS的磷酸盐缓冲液中活化,最后将ssDNA的磷酸盐缓冲液滴到电极表面以固定探针.共价键合法制备的DNA修饰电极,修饰层稳定,易于分子杂交,但表面活性位点少,表面合成是异相反应,因而固定的DNA量少,响应信号较小.3)自组装膜法自组装膜法是在适当条件下,使分子在固体表面形成有序单分子层的方法,一般以金电极为基体电极,并在探针或金电极表面固定上2SH基团,利用2SH基团可对DNA 进行自组装.Maeda等[30]利用DNA的5′末端磷酸基与22羟乙基二硫化物的羟基反应生成磷酸酯键,再通过巯基将DNA修饰到金电极上去.而Bard等[31]则先将42巯基丁基膦酸(M BPA)在纯乙醇中固定到硅晶片的金膜上,然后再与Al3+反应,形成一层包含Al3+的膜,再通过Al3+与DNA间的静电作用固定ssDNA.T onya[32]利用巯基衍生物将单链DNA[5′2HS2(CH2)62ssDNA23′]固定到金电极表面,研究发现该DNA探针表面修饰层稳定,杂交反应完全可逆,并有特异性.赵元弟等[33]将处理过的金电极置于二巯基乙醇的溶液中6h,取出后用水冲洗,转入含碳二亚胺和DNA的22 (N2吗啡啉)乙磺酸(MES)缓冲溶液中浸泡,取出后用MES 缓冲液冲洗,在金电极表面固定DNA.K agan等[34]用水把氧化铝粉调成糊状涂于布上磨擦金电极,然后置金电极于0.05m ol/L H2S O4中,20.3～+1.5V(vs.Ag/AgCl)以100 mV/s扫至稳定.烷基硫醇溶于75∶25(v/v)乙醇:水溶液中(内含0.02m ol/L巯基丙酸)浸泡电极过夜,冲洗.再把该电极置入pH7.40的磷酸缓冲液中(含2mm ol/L E DC和5 mm ol/L NHS)1h,用缓冲液洗净,滴上20μL探针的丙酮缓冲液(pH4.80),风干,用此方法固定探针.关于自组装膜法还很多,如K obayashi等[35]、周家宏等[36]、周剑章等[37]、林祥钦等[14]、刘志红等[38]均有报道.自组装膜法和共价键合法结合,可使电极表面修饰物有序排列,且稳定性好,有利于杂交,但对巯基化合物修饰的DNA纯度要求高.纳米技术有可能对DNA传感器的灵敏度、稳定性及专一性发挥作用.4)聚合法该方法是利用导电化合物在电极表面的电聚合作用把DNA探针固定在电极表面.徐金瑞等[39]把处理好的玻碳电极烘干后放在氯化亚砜中,30min后取出,用N,N′2二甲基甲酰胺(DMF)洗涤,接着把电极置入聚乙烯醇(PVA)的DMF溶液中30min,最后用80℃热水洗去粘附的PVA,从而制得聚乙烯醇修饰电极.F.G amier等[40]以聚(32乙酸吡咯)/(32N2羟基邻苯二甲酰亚胺吡咯)为前体共聚物,将带有胺基且含有14个碱基的DNA或低聚核苷酸(ODA)嫁接到电极表面.5)组合法用化学修饰剂与电极材料混合制备电极的方法叫组合法.由于碳糊电极的可塑性,非常适用于这种方法.M illan 等[26]将182烷基胺、182烷基酸混入碳糊中,得到化学修饰的碳糊电极,然后在E DC存在的情况下,通过182烷基胺的氨基与ssDNA的5,末端的磷酸基形成磷酰胺键,把ssDNA 固定到电极上;或在E DC和NHS存在的情况下,通过182烷基酸与ssDNA的dG残基结合,将ssDNA固定到电极上.3　杂交的指示在DNA电化学传感器中必须引入电活性识别物(杂交指示剂或复合指示体系),杂交指示剂是一类具有电活性的物质,起着DNA电化学传感器的信号传递作用,根据杂交指示剂与ssDNA和dsDNA结合方式和结合能力的差异,通过测定其氧化还原峰电流和峰电位可以识别和测定DNA分子.能够选择性的识别ssDNA和dsDNA而又不与DNA链发生不可逆的共价结合,同时又能给出电流或电势识别信号的杂交指示剂是该类电化学DNA生物传感器的重要特点.一般来讲,一个适合电化学DNA生物传感器的指示剂应该对dsDNA比对ssDNA具有更高的选择性结合能力.1)电化学活性的杂交指示剂作为识别物常用的电化学活性的杂交指示剂主要集中在以下几个方面:第一类为金属配合物类杂交指示剂.一些金属配合物因其中心离子的变价性而被用作杂交指示剂,并广泛用于DNA电化学传感器的分析应用中,较常用的此类金属离子有C o、Os、Fe、Ru、Pt等的离子形式,常用的配合物为:2,2′2联吡啶、1,102邻菲咯啉、咪唑并[4,52f]1,102邻菲咯啉、4,4′2二甲基22,2′2联吡啶、二氮杂芴酮缩聚苯二胺、吡啶[3,22f]并[1,7]邻菲咯啉等.C o金属配合物作为典型代表被广泛用做杂交指示剂,赵元第[33]采用电活性配合物C o(phen)2+3作为杂交指示剂,研究了电极表面的DNA杂交.结果杂交后的dsDNA2S AM/Au电极上C o(phen)2+3的峰电流较未杂交前的ssDNA修饰电极的的峰电流明显增大,式电位也由+123mV负移至+117mV.Wang等[41]用C o(phen)3+3为杂交指示剂,也发现相类似的结果.M illan等[7]将C o(phen)3+3及C o(bpy)3+3作为电活性杂交指示剂,证明C o(bpy)3+3作为杂交指示剂不仅能很好的区分ssDNA与dsDNA,而且可以区分特异性杂交和非特异性杂交,即可以用于特定序列DNA的检测.Pang等[42]详细研究了苄基24,4′2连吡啶盐(Benzyl Viologen,BV)与ssDNA2Au电极和dsDNA2Au电极的作用情况,发现BV的峰电流和峰电位在ssDNA2Au电极和dsDNA2Au电极上有显著的差异,并且在低的离子强度下它能很好的静电结合到DNA修饰电极上,同时又能迅速从电极上分离,可使DNA传感器具有很好的重复性.121谢灵珠,等:DNA电化学生物传感器的研究与应用第二类为染料类杂交指示剂.因为许多染料具有与DNA作用的分子模型,近来研究表明:具有π2堆积特性的有机功能染料能在核酸分子表面进行长距组装.常用的染料类指示剂有双苯并咪唑类、亚甲基蓝、红四氮唑、乙锭类、中性红等.双苯并咪唑染料(如H oechst33258)是其中较为理想的一类,有较其他指示剂高得多的电流密度,大约为45μA/cm2[43].Hashim oto等[8]用染料H oechst33258作为电活性杂交指示剂,检测了pVM623的Part I片段上的致癌基因V2myc,同时发现H oechst33258的峰值电流在使用ss2 DNA和dsDNA修饰电极时分别为128nA和170nA,由此可见H oechst33258对dsDNA有比对ssDNA更好的选择性.Er2 dem等[44]K erman等[45]T ani等[46]人对亚甲基蓝(Methylene Blue,M B)进行研究后认为M B作为杂交指示剂的ssDNA探针具有特异的选择性,可用于特定序列靶基因的检测,故M B是较有潜力的一种新型电活性杂交指示剂.程琼等[12]人以红四氮唑作(TT C)为杂交指示剂,实验证明TT C对ds2 DNA具有较好的选择性,是合适的杂交指示剂.第三类为抗癌药物类杂交指示剂.因为许多抗癌药物是以DNA为作用靶点的,如:阿霉素和柔红霉素分子的芳基部分嵌入DNA碱基对之间,水合顺铂和DNA链上的鸟嘌呤碱基配位而使它们具有抗癌作用.研究它们与DNA的相互作用,不仅可作为杂交指示剂,还可以解释药物的药理学作用.道诺霉素(daunomycin)是蒽环类抗生素中较常用的一种杂交指示剂,Hashim oto等[15]对道诺霉素进行深入研究后认为道诺霉素是较合适的DNA电化学传感器的杂交指示剂.庞代文等[47]在抗癌药物与DNA电化学研究方面作了较多工作.方禹之等[48]将以盐酸阿霉素(DXH)为杂交指示剂,结果发现只有与互补序列杂交反应才出现DXH 的氧化还原峰,证明该方法可有效地识别DNA片段.2)寡聚核苷酸上修饰电化学活性官能团作为识别物此类型即是将具有电化学活性的小分子标记在ssDNA 片段上形成DNA探针.常用的标记物有二茂铁,溴化乙锭,聚吡咯,聚噻吩.徐春等[49]以乙基2(32二甲基丙基)炭化二亚胺盐酸盐为偶联活化剂,利用缩合反应分别将电化学活性物质氨基二茂铁和醛基二茂铁成功标记在变性小牛胸腺DNA片段上,制备成二茂铁标记DNA探针.他们[1]将指示剂氨基二茂铁(AFC)标记在含有256个碱基的已知序列ssDNA上形成探针,实验表明标记有电化学活性指示剂AFC的DNA探针可用于特定序列DNA的检测.他们[23]将电化学活性物质溴化乙锭(E B)成功的标记在ssDNA片段上,制成E B标记的DNA探针,Has fa等[50]将二茂铁和已知序列ssDNA探针键合到聚吡咯/铂电极上,以该修饰电极为工作电极,分别与互补序列ssDNA和非互补序列ssDNA 进行杂交反应,并用C V法对杂交结果进行分析,发现与互补序列ssDNA杂交后二茂铁基团的峰电流下降,峰电位正移,而与非互补序列ssDNA作用后二茂铁的峰信号未发生变化.3)利用酶的放大功能在DNA分子上标记酶作为识别物.当标记了酶的ssD2 NA与电极表面的互补ssDNA发生杂交发应后,相当于在电极表面修饰了一层酶,酶具有很强的催化功能,通过测定反应物的变化量可以间接测定DNA.Lumley2W oodear等[51]在待测DNA链端衍生辣根过氧化物酶,在杂交过程中,修饰电极便能催化过氧化氢的电还原.4)其他方法据报道还有无杂交指示剂和三明治法,电化学基因传感器也可以不用指示剂来检测DNA的杂交,因为电活性剂的加入使得电化学信号的本底加大,使得检测的分辨率降低.过去,检测不到DNA杂交的本征信号是由于探针上鸟嘌呤基的存在,因为它不能检测含有鸟嘌呤基的目标分子.解决这个问题的办法是在电极上固定不含鸟嘌呤基的次黄(嘌呤核)苷探针,当嘌呤核苷与目标胞核嘧啶形成基对时,它的氧化信号就能从鸟嘌呤的响应中很好地分离出来,这样DNA杂交的信号就能直接和方便地被检测出来.如Wang等[25]用肌苷代替DNA探针中的鸟嘌呤来消除探针中鸟嘌呤的氧化峰,利用杂交反应后出现的鸟嘌呤的氧化峰进行检测.Ihara[52]先将待测的长链DNA与固定化的短链DNA探针杂交,然后再让长链DNA上未杂交部分与修饰有电活性标记物的短链DNA杂交,进而进行电化学检测,此法即三明治法.4　DNA电化学生物传感器的应用展望 DNA电化学传感器因其简单、快速、灵敏等优点,已经应用或有望应用于:①军事上.在军事上的应用是目前重视的研究项目.由于基因工程的研究成果为生物武器的研究开辟了新的领域—基因武器,便携、快速、灵敏的基因传感器可以发挥重要作用.澳大利亚AM BRI有限公司悉尼实验室的专家研制出的一种手持式纳米DNA传感器2模拟离子通道[53]开关的生物传感器,可以探测空气中的病原体,如炭疽热病菌等,非常适合生物武器的现场检测.②基因探伤和突变检测,Zhou等[54-55]人用Ru(bpy)3+3和C o (bpy)3+3(bpy=2,2′2bipyridine)与DNA的相互作用,采用方波极谱法测定受损DNA,可检测到0.1%的受损碱基;③基因疾病诊断,如Hashim oto等[8]用于致癌基因v2myc序列检测的电化学传感器;Wang等[56-57]制备了用于检测抑癌基因P53和人类免疫缺陷病毒的DNA传感器.④体外药物分析和筛选,庞代文等[47]研究了道诺霉素在DNA修饰石墨微电极上的电化学行为,并建立了测定人尿中痕量道诺霉素的方法;⑤环境检测.Wang[58]报道了用DNA电化学杂交生物传感器对饮用水和污水样本中的病原微生物进行的检测.5　结束语 DNA电化学生物传感器提供了一种简单的、可靠的和价廉的DNA杂交测试方法,凭借其独特的优势,已成为电化学领域的研究热点,它开辟了电化学与分子生物学交叉学科的新领域,为生命科学的研究提供了一种崭新的方法.它具有较高的灵敏度,可探测出微克级的双链DNA分221四川兵工学报子,可以制作成微电极形式.同时,它与目前的DNA生物芯片技术兼容.其不足之处是不能完全定量检测,因为电极制备的每一个过程并非定量进行.电化学基因传感器的研究与发展方向是微型化、阵列化、快速、实时检测技术,甚至将此项技术原理应用于其他生物领域[58].我国在这方面的研究工作起步较晚,但已初具规模,主要集中在各种DNA固定方法的深入研究、研究DNA与小分子的作用以筛选适合高灵敏度检验的杂交指示剂以及探索此类传感器在各个领域的应用等等.目前DNA电化学传感器的稳定性、重现性和灵敏度还有待提高,在测定过程中杂交假象(DNA与其他物质结合)、碱基错配现象必须尽量避免和减少,以及使此类传感器微型化操作简单以推动其真正商品化.随着研究的不断深入,这些问题必将得到解决,DNA电化学生物传感器必将在各领域中占有一席之地.参考文献:[1]　Xu Chun,Cai H ong,He Pinggang.E lectrochemical detectionof sequence specific DNA using a DNA Probe labeled withamino ferrocene and chitosan m odified electrode imm obilizedwith ssDNA[J].Analyst,2001,126:62-65.[2]　Drumm ond T G,Hill M G,Barton J K.E lectrochemical DNAsens or[J].Nature biotechnology,2003,21(10):1192-1199.[3]　杨丽菊,彭图治.特定序列的脱氧核糖核酸电化学生物传感器进展[J].分析化学,2001,29(3):355-360. [4]　Paleceek E.From polarography of DNA to microanalysis withnucleic acid m odified electrodes[J].E lectronanalysis,1996,8(1):7-14.[5]　杜晓燕,陈文华,常东.电化学生物传感器及其在环境和医学检验中的应用[J].传感技术学报,2002,12(4):347-352.[6]　Cai X,Rivas G,Shiraishi H.E lectrochemical analysis of for2mation of polynucletide com plexes in s olution and at elec2 trode sur faces[J].Anal Chim.Acta,1997,344:65-76. [7]　M illan K M,M ikkelsen S R.Sequence2selective biosens orfor DNA based on electroactive hybridization indicators[J].Anal.Chem,1993,65(17):2317-2323.[8]　Hashim oto K,I to K,Ishim ori Y.Sequence2specific gene de2tection with a g old electrode m odified with DNA probes andelectrochemically active dye[J].Anal.Chem,1994,66(21):3830-3833.[9]　Hiroy oshi M,K enichi Y,Masayuki.E lectrochemical analysisof single nucleotide polym orphisms of p53gene[J].T alan2 ta,2002,56:829-835.[10]Wang J,Femandes J R,K abota L T.P olishable and renew2able DNA hybridization biosens ors[J].Anal.Chem.,1998,70(17):3699-3702.[11]Marrazza G,Chianella I,Mascini M.A disposable DNA elec2trochemical biosens or for hybridization detection[J].Biosens.Bioelectron,1999,14:43-51.[12]程琼,彭图治.红四氮唑作为电化学嵌合剂的核酸杂交生物传感器[J].高等学校化学学报,2002,23(9):1680-1683.[13]郑赛晶,林祥钦,尹屹梅.石墨电极固载DNA的一种新修饰方法[J].化学学报,2002,60(10):1828-1833.[14]缪谦,金葆康,林祥钦.ssDNA在纳米金上固载和杂化的电化学传感研究[J].高等学校化学学报,2000,21(1):27-30.[15]Hashim oto K,I to K,Ishim ori Y.N ovel DNA sens or electro2chemical gene detection[J].Anal.Chim.Acta,1994,286:219-224.[16]Chun Xu,H ong Cai,Qun Xu,Pingang He,Y uzhi Fang.Characterization of single2stranded DNA on chitosan2m odi2 fied electrode and its application to the sequence2speciticDNA detection[J].Fresenius J.Aual.Chem.,2001,369:428-432.[17]Napier M E,Thorp H H.E lectrocatalytic oxidation of nucleicacid at electrodes m odified with nylon and nitrocellulosemembranes[J].J.Fluoresc.,1999,9(3):181-186. [18]静国忠.基因工程及其分子生物学基础[M].北京:北京大学出版社,1999,175-177.[19]庞代文,陆琪,赵元弟.DNA修饰电极的研究(Ⅷ)1,10-菲咯啉存在时钴离子在ssDNA修饰金电极上的电化学行为及痕量钴的检测[J].化学学报,2000,58(5):524-528.[20]Fei Y an,Arzum Erdem,Burcu Meric,et al.E lectrochemicalDNA biosens or for the detection of specific gene related tomicrocystis species[J].E lectrochemistry C ommunications,2001,3:224-228.[21]Pang Daiwen,Zhang M in,Wang Z onglin,et al.M odificationof glassy carbon and g old electrodes with DNA[J].J.E lec2 troanal Chem.,1996,403:183-188.[22]Pang Daiwen,Abruna H D.M icromethod for the investigationof the interactions between DNA and redox2active m olecules[J].Anal Chem.,1998,70:3162-3169.[23]徐春,何品刚,方禹之.溴化乙锭标记DNA电化学探针的研究[J].高等学校化学学报,2000,21(8):1187-1190.[24]Wang J,Cai X,Rivas G,et al.S tripping potentiometric tran2scluction of DNA hybridization processes[J].Anal.chim.Acta,1993,344:111-118.[25]Wang J,Palecek E,Nielsen P E.Peptide nucleic acid probesfor sequence2specific DNA biosens or[J].J.Am.Chem.S oc.,1996,118:7667-7670.[26]M illan K M,Aaraullo A,M ikkelsen S R.V oltammetric DNAbiosens or for cystic fibrosis based on a m odified carbon paste electrode[J].Anal.Chem.,1994,66:2943-2948.[27]Y ang M,K ong R Y C,K azmi N,et al.C ovalent imm obiliz2tion of olig onucleotides on m odified glass/silicon sur faces fors olid2phase DNA hybridization and am plification[J].Chem.Lett.,1998:257-258.[28]刘盛辉,孙长林,何品刚等.单链核糖核酸在石墨电极321谢灵珠,等:DNA电化学生物传感器的研究与应用。

DNA电化学生物传感器总结

DNA电化学生物传感器在生物学方面，随着分子生物学和基因工程领域的迅速发展，人们已经开始对核酸进行更深层次的研究。

但是作为核酸研究的一个重要项目——核酸检测的手段却始终落后于其理论研究，而且目前存在的问题主要是核酸检测的操作繁琐，检测速度较慢。

尤其是分子杂交检测技术，现已广泛应用于生物学、医学和环境科学等有关领域，但其实验过程一直是手工操作，费时费力。

而传统的放射性同位素标记法对时间要求苛刻，安全性差，难以满足各方面的需要。

基于这种缺陷下，DNA生物传感器发展成为一种用于检测分子杂交的新型传感器。

通过使用DNA生物传感器，使得分子杂交检测在速度有了很大的提高。

而在各种DNA生物传感器中目前发展较快的则是DNA电化学生物传感器，下面对这种新型传感器进行介绍。

DNA电化学生物传感器的原理DNA电化学生物传感器是利用单链DNA(ssDNA)作为敏感元件，通过共价键合或化学吸附固定在固体电极表面，通过电极使ssDNA与目标DNA(靶基因)呈碱基序列互补，在适当的温度、离子强度、pH、缓冲溶液等杂交条件下，探针ssDNA与溶液中的靶基因发生特异性选择杂交，形成双链杂交DNA(dsDNA)，从而导致电极表面结构的变化，再通过加上的电化学标识元素，将所引起电信号(如电压、电流或电导)的变化体现出来的检测特定基因的装置。

其具体工作原理见下图。

DNA电化学生物传感器的分类根据电化学标识元素的不同，可以将DNA电化学生物传感器分为三类：（1）具有电化学活性的杂交指示剂。

该类标识元素可以与电机表面生成的dsDNA形成复合物，并生成其氧化—还原峰电位和峰电流，通过这种方法对DNA进行检测。

（2）在寡聚核苷酸上标记电化学活性的官能团。

通过其与电极表面的靶基因选择性的进行杂交反应，生成用于测定的电信号，以此测定DNA。

（3）在DNA分子上标记酶作为识别元素。

当标记了酶的ssDNA与电极表面的互补ssDNA发生杂交反应后，由于酶具有很强的催化功能，通过测定反映生成物的变化量间接测定DNA。

电化学DNA生物传感器的制备及应用

电化学DNA生物传感器的制备及应用摘要：电化学DNA 传感器具有选择性好、灵敏度高、消耗低及简便易用等优点，能够对特征 DNA 序列进行快速准确的测定，因此电化学 DNA 传感器在食品安全检测、医学诊断和环境监测等领域都有广阔的应用前景。

Due to the high sensitivity，good selectivity and low cost for the detection ofspecific single-stranded DNA （ssDNA） sequences at low concentration，electrochemical DNA biosensor can be used in many fields including medical diagnosis，biological engineering，environmental protection and so on.1电化学DNA生物传感器简介脱氧核糖核酸（DNA）是染色体的主要组成部分，也是遗传信息的载体，具有储存和传递信息的能力。

电化学 DNA 传感器具有检测快速、制作简单、灵敏度高以及选择性好等特点，已被广泛应用于医学诊断、法医鉴定、环境监测及食品安全检验等领域[1]。

DNA电化学生物传感器的工作原理是将DNA探针作为敏感元件固定在固体玻碳电极表面，加入具有电活性的物质（如亚甲基蓝MB）作为杂交指示剂，通过检测修饰电极在待测溶液中电化学信号强弱的变化，以确定靶DNA序列的排列；或者将待测基因片段固定在电极表面，然后与溶液中的已标定杂交指示剂的DNA探针进行杂交，来检测待测基因序列。

根据指示剂的电化学信号与目标序列浓度之间的线性关系，可以对特定DNA序列进行定量检测[2]。

2电化学DNA生物传感器的制备电化学DNA传感器制备包括以下四个过程[3]： DNA探针的固定，即要将单链DNA固定到电极表面，形成DNA探针修饰电极。

生物传感器的研究及应用

生物传感器的研究及应用一、引言随着科技水平的不断提高，生物传感器在现代科技中的应用越来越广泛。

它是将生命体系中的生物分子与传感器技术相结合的一种新型技术，能够高效、快速、灵敏地检测生物分子，具有许多优点。

本文将从生物传感器的原理、种类、研究和应用等方面进行探讨。

二、生物传感器的原理生物传感器是利用合适的生物体系（如酶、抗体、细胞、DNA）来识别和测量与生物体系相互作用的分子，进而将信号转换成用于指示分子浓度或活性的可观测信号。

它的原理是利用生物分子与特定分子之间的相互作用，通过转换成电信号、光信号等特定信号而进行检测。

在传感器中，生物分子作为生物识别元素。

光学、电化学、物理学、机械学和化学分析等方法则用于将生物识别元素与仪器接口和信号转换器连接起来。

三、生物传感器的种类生物传感器可分为：光学生物传感器、电化学生物传感器、材料促进生物传感器、微生物生物传感器、生物智能泵（Biosmart Pump）和化学生物传感器等。

1. 光学生物传感器光学生物传感器是以光信号的测定为基础的生物传感器，其原理是根据有机染料分子的吸收光谱或荧光光谱的变化，来判断生物分子的浓度。

因为光学的灵敏性和速度非常高，能够通过稳定、非破坏性的方法进行生物分子的测量，因此广泛应用于生物实验室和诊断设备的制造。

2. 电化学生物传感器电化学生物传感器是指采用电化学手段检测生物分子的传感器，其原理是利用生物分子与电极的相互作用，通过电信号进行检测。

该种传感器具有灵敏度高、反应速度快、可重复使用等特点。

3. 材料促进生物传感器材料促进生物传感器主要是指利用金属或非金属材料与生物分子相互作用，以增强电化学信号或光信号的传递和转换能力，从而提高传感器的检测灵敏度。

该种传感器被广泛应用于生物分析、临床诊断和生物传感等方面。

4. 微生物生物传感器微生物生物传感器是一种利用细胞或细胞质的生物传感器。

其原理是通过生物修饰材料将微生物固定到传感器表面中，动态监测微生物代谢活性，从而进行有关环境污染、工业废液处理等方面的检测。

电化学生物传感器的研究与应用前景

电化学生物传感器的研究与应用前景在当今社会，感知技术和智能化技术的发展越来越迅速，人们对于生物分析和检测的需求也在逐渐增长。

电化学生物传感器，作为一种高灵敏、高选择性、快速应答的检测技术，已经被广泛应用于生物医学、环境监测、食品安全等领域。

本文将从电化学生物传感器的基本原理、分类、研究进展和应用前景这几方面进行探讨。

基本原理电化学生物传感器是一种基于电化学反应的传感器，其基本原理是通过将生物分子（如酶、抗体和DNA等）和电化学技术相结合，利用电化学反应或电化学储能效应来检测目标物质，实现对生物分子的灵敏检测和定量测量。

在电化学生物传感器中，生物分子起到了传感器的“识别器”作用，可以从复杂的样本中特异性地识别和捕获目标物质，并将其转换成电化学信号。

而电化学信号则可以通过电化学电极的响应来转换成电信号，将目标物质的信息传递出来。

分类电化学生物传感器主要可以分为三类：酶传感器、抗体传感器和基于DNA的传感器。

酶传感器是以酶分子作为生物分子的传感器，其工作原理是将酶和底物一起引入传感器中，当底物转化为产物时，会产生电化学信号，进而实现对底物的检测。

抗体传感器则是采用抗体作为生物分子，通过特异性识别和结合待检测的生物分子，使得电化学电极表面发生变化，从而实现对目标物质的检测。

基于DNA的传感器是利用DNA序列的互补性来实现对目标物质的检测。

其工作原理是将待检测的目标物质与DNA探针结合，当目标物质与DNA探针适配时，探针分子就发生某些性质或构象上的变化，进而产生电化学信号。

研究进展随着电化学生物传感器的不断发展和完善，其灵敏度、选择性和响应速度都得到了很大的提高。

近年来，研究人员还尝试将纳米和生物材料相结合，优化传感器的性能和稳定性。

同时，人工智能技术的快速发展也为电化学生物传感器的研究提供了大量的数据分析和应用领域的探索。

很多国家和地区的研究机构都在不断地探索电化学生物传感器的新应用领域。

在医学领域，电化学生物传感器可以实现对人体生物分子的快速检测，如心肌梗塞的诊断等；同时还可以用于体液、毒素和病原体的检测。

电化学生物传感器的研究与应用

电化学生物传感器的研究与应用随着科技的不断发展，电化学生物传感器越来越成为研究热点。

电化学生物传感器是一种能够测量生物分子浓度的技术，其具有灵敏度高、反应迅速、稳定性好等优点，在许多领域有着广泛的应用。

本文将从电化学生物传感器的基本原理、结构和应用等方面进行探讨。

一、电化学生物传感器的基本原理电化学生物传感器是一种利用电化学法测量生物物质的技术，其基本原理是利用酶或抗体等生物分子与待检测物质反应产生电化学信号，通过测量该信号的大小来判断待检测物质的浓度。

具体来说，电化学生物传感器利用一些专门设计的电化学电极，如离子选择性电极、荧光探针电极和微流控电极等，将生物分子与待检测物质反应后，产生电化学反应，并将这种反应转化为可测量的电化学信号。

二、电化学生物传感器的结构电化学生物传感器包括三个基本组成部分：生物分子识别元件、转化元件和信号测量元件。

生物分子识别元件是电化学生物传感器的最核心部分，其主要作用是对待检测物质进行识别和选择。

转化元件是将生物分子与待检测物质产生的信号转化为可测量的电化学信号，其具体形式包括电势转换元件、荧光转换元件和电流转换元件等。

信号测量元件则是将转化后的电化学信号通过电子设备或计算机等设备进行测量和分析。

三、电化学生物传感器的应用电化学生物传感器广泛应用于医药、食品、生物工程等领域。

其中，医药领域应用最为广泛。

例如，电化学生物传感器可用于血糖的测量，利用酶与葡萄糖反应后产生的电化学反应来测量血糖浓度，从而辅助糖尿病患者进行血糖监测。

此外，电化学生物传感器还可用于疾病的早期诊断和治疗等方面。

另一方面，电化学生物传感器的应用也逐渐扩展到了食品领域。

例如，电化学生物传感器可用于检测食品中的污染物，如重金属、残留农药和细菌等。

通过测量这些污染物的浓度，可以为食品安全提供有效的保障。

四、电化学生物传感器的前景电化学生物传感器具有灵敏度高、反应迅速、稳定性好等优点，在许多领域有着广泛的应用。

电化学分析方法在生物传感器中的应用研究

电化学分析方法在生物传感器中的应用研究电化学分析方法是一种利用电化学技术实现物质检测和分析的方法。

它通过测量分析物与电极之间的电流、电势或电荷等电化学参数的变化来获取相关的分析信息。

随着生物传感器的快速发展，电化学分析方法在生物传感器中的应用受到越来越多的关注。

本文将介绍电化学分析方法在生物传感器中的应用研究进展，并讨论其在医学、环境监测和食品安全等领域的潜力。

一、生物传感器概述生物传感器是一种将生物活性组分与传感器技术结合起来的设备，可用于检测生物分子、细胞和微生物等。

它通过特定的生物组分与目标物质之间的识别和反应来实现检测和分析，具有高灵敏度、高选择性和即时监测等优点。

二、电化学分析方法在生物传感器中的应用1. 电化学传感器电化学传感器是一种常用的生物传感器类型，常采用电极作为传感器部分。

电化学分析方法在电化学传感器中发挥着至关重要的作用。

通过测量电极与分析物之间的电信号变化，可以实现对生物分子、细胞和微生物等的高灵敏度检测。

常见的电化学传感器有pH传感器、离子选择电极和氧气传感器等。

2. 生物传感器的电化学检测方法电化学检测方法是电化学分析方法的一种应用形式，可用于检测生物传感器中的分析物。

常见的电化学检测方法有循环伏安法、方波伏安法和安培法等。

循环伏安法可用于检测生物分子的氧化还原峰，方波伏安法可用于测定分析物的浓度，而安培法可用于测定分析物的电流响应。

3. 电化学共振传感器电化学共振传感器是一种基于电化学和声学原理的传感器。

它利用电化学反应引起的质量变化来改变振动频率，从而实现对生物分子和细胞等的检测。

电化学共振传感器具有高灵敏度、高选择性和实时监测等优点，可用于多种生物分析应用。

三、电化学分析方法在生物传感器中的应用案例1. 医学应用领域电化学分析方法在医学应用领域有广泛的应用。

例如，利用电化学传感器可实现对生物标志物如葡萄糖、尿酸和胆固醇等的检测，有助于疾病的早期诊断和监测。

此外，电化学共振传感器可以实时监测药物的释放和药效，为药物研发和治疗提供重要信息。

电化学生物传感器与分析技术的研究

电化学生物传感器与分析技术的研究在生物领域中，电化学生物传感器已经成为一种重要的检测手段。

通过将生物分子与电极材料相结合，电化学生物传感器可以实现对生物分子的高灵敏度与高选择性的检测。

电化学生物传感器在生物医学、环境监测、食品安全等领域具有广泛的应用前景。

一、电化学生物传感器的原理与类型电化学生物传感器是一种基于电化学反应的生物分子检测技术。

其基本原理是利用电化学信号检测物质浓度或活性的变化。

电化学信号可以是电流、电压或电阻等。

电化学反应的基本类型有氧化还原反应、离子传递反应和生物催化反应等。

根据电化学反应的性质和生物分子的类型可将电化学生物传感器分为不同类型。

常见的电化学生物传感器包括葡萄糖传感器、蛋白质传感器、DNA传感器、细胞传感器等。

二、电化学生物传感器的性能要求电化学生物传感器的性能要求包括灵敏度、选择性、稳定性和可重复性等。

灵敏度是指检测目标分子的最小可检测浓度，选择性是指传感器对目标分子的识别能力，稳定性是指传感器的长期稳定性和抗干扰性能，可重复性是指传感器重复检测的一致性。

在电化学生物传感器的制备过程中，需要选择合适的电极材料、生物分子和传感器结构，合理设计传感器反应系统。

此外，对传感器中的各个环节进行优化也可以提高传感器的性能。

三、电化学生物传感器的应用前景电化学生物传感器在生物医学应用领域具有重要的应用前景。

例如，在血液中葡萄糖控制方面，电化学葡萄糖传感器是实现自闭症、糖尿病患者非侵入性监测的有力工具。

同时，电化学生物传感器具有极高的灵敏度和准确性，可用于检测癌症标志物、胶原蛋白、心肌标志物等生物分子，为医学诊断提供了极大的便利。

在环境监测领域，电化学生物传感器也有广泛的应用前景。

例如，利用DNA传感器可以检测环境中的水质、土壤和气体中的污染物。

同时，生物传感器还可以监测食品中的微生物、毒素和符合物，有助于保证人类健康和食品安全。

四、电化学生物传感器研究的发展趋势随着纳米技术、生物信息学和计算能力的快速发展，电化学生物传感器的研究将迎来新的发展。

基于电化学分析的生物传感器开发与应用

基于电化学分析的生物传感器开发与应用生物传感器是一种利用生物分子和化学物质作为检测元素的电化学传感器。

基于电化学原理，它通过测定生物分子与特定分子之间的相互作用来检测生物分子的存在，能够实现对生物分子的高灵敏度、高选择性和实时监测。

因此，生物传感器在医学、食品安全、环境监测等领域得到广泛应用，成为当前电化学研究领域的重要分支之一。

一、生物传感器的工作原理生物传感器可以分为两类：基于整个活细胞的传感器和基于单个蛋白质或DNA分子的传感器。

其中，基于单个蛋白质或DNA分子的传感器是电化学分析的重要研究领域之一。

一般基于以下原理实现：（1）酶促反应原理。

利用酶的催化作用对底物分子进行反应，产生电荷转移过程，从而测定底物分子的浓度；（2）免疫识别原理。

将特异性抗体固定在电极表面，通过与抗原特异性结合，测定抗原分子的存在及浓度；（3）核酸杂交原理。

将互补链的单链DNA固定在电极表面，通过与待检测DNA序列互补配对，测定待检测DNA序列的存在及浓度。

二、生物传感器的开发与应用生物传感器的开发与应⽤需要多学科的综合运⽤，包括生物学、化学、物理学和电⽤计算机学等。

通过合理设计传感器结构和优化工艺，可以提高检测的灵敏度和选择性，大⽤地拓展了电化学分析的应用范围。

目前，生物传感器在医药、食品、环保、农业等领域得到广泛应用：（1）医药应用。

生物传感器在临床诊断、药物监测和体外诊断领域具有重要作用。

如血糖检测、乳腺癌标志物检测、HIV抗体检测等。

（2）食品安全应用。

生物传感器能够检测食品中微量的有害物质，如农药、重金属等。

为食品生产过程中的质量控制提供科学依据。

（3）环保应用。

生物传感器能够快速、准确地检测水污染、空气污染等环境污染物。

减少传统检测方法的时间和成本。

（4）农业应用。

生物传感器可以实现对植物、动物生长状态的监测，提高农业生产效率。

通过检测水分、土壤肥力等参数，为农业生产提供科学依据。

三、生物传感器发展现状及未来发展趋势随着科学技术的不断进步，电化学传感器在应用领域中的地位越发重要。

电化学生物传感器的制备与应用研究

电化学生物传感器的制备与应用研究随着生物技术的快速发展，生物传感器逐渐进入人们的视野。

电化学生物传感器作为一种高灵敏度、高选择性、高可靠性的检测手段，在医疗、环境监测、食品安全等领域具有广泛的应用前景。

本文将着重介绍电化学生物传感器的制备与应用研究进展。

一、电化学生物传感器的基本原理与结构电化学生物传感器是利用生物体系与电化学技术结合而成的一种传感器。

它主要由三个部分组成：生物识别分子、信号转换层和信号检测器。

其中，生物识别分子是传感器最核心的部分，用于识别待检测物质；信号转换层将生物识别分子与电化学过程结合起来，将待检测物质的生物学信息转换成电化学信号；信号检测器则负责检测电化学信号并进行信号处理。

电化学生物传感器常用的电化学技术包括电化学阻抗谱、电化学发光、电化学计时等。

其中，电化学阻抗谱是一种常用的电化学技术，它通过测量待检测物质与电极之间的电化学行为变化，反映出待检测物质浓度或活性的变化情况。

二、电化学生物传感器的制备技术电化学生物传感器的制备技术主要包括生物识别分子的选择、固定化技术、信号转换层的构建等。

生物识别分子是电化学生物传感器的核心部分，要选择对待检测物质有高度选择性、高灵敏度、高稳定性的分子。

目前，常用的生物识别分子包括抗体、酶、核酸等。

固定化技术是实现生物识别分子的固定化和组装的重要手段，常用的固定化技术有物理吸附、共价键结合、交联固定等。

其中，交联固定技术是目前应用最广泛的固定化技术。

信号转换层的构建是实现生物学信息与电化学信号之间转换的重要环节。

常用的信号转换层包括纳米材料、生物导电聚合物、碳纳米管等。

其中，碳纳米管是目前应用最广泛的信号转换层材料。

三、电化学生物传感器的应用研究进展电化学生物传感器在医疗、环境监测、食品安全等领域具有广泛的应用前景。

其中，医疗应用是电化学生物传感器应用最为成熟的领域之一。

例如，糖尿病患者血糖检测、肿瘤标记物检测等都是电化学生物传感器在医疗领域的应用。