电化学生物传感器

目录1. 电化学生物传感器简介 (2)1.1 电化学生物传感器的原理 (2)1.2 电化学生物传感器的发展 (3)２.电化学生物传感器分类.... 错误！未定义书签。

2.1电化学免疫传感器 .......................................... 错误！未定义书签。

2.2电化学适体传感器 (5)2.3电化学DNA传感器 (5)3.信号放大技术在电化学生物传感器中的应用错误！未定义书签。

3.1酶催化信号放大技术在电化学生物传感器中的应用错误！未定义书签。

3.2纳米粒子信号放大技术在电化学生物传感器中的应用3.3 链式反应信号放大技术在电化学生物传感器中的应用4. 电化学生物传感器研究新进展 (8)参考文献及英文摘要与关键词. 错误！未定义书签。

电化学生物传感器的研究摘要本文介绍了电化学生物传感器的发展状况和最新研究方向，综述了近年来电化学生物传感器检测技术的原理和分类，以及信号放大策略在电化学生物传感器中的应用，并概括了电化学生物传感器检测技术的新进展。

关键词电化学生物传感器免疫适体 DNA 信号放大电化学生物传感器(Electrochemical biosensor)是将生物活性物质如酶、抗原/抗体、DNA、适体等作为分子识别物质固定在电极上,以电化学信号为检测信号的分析器件。

电化学生物传感器以其选择性好、灵敏度高、响应快、操作简便、可实现在线、活体分析等特点,在分析化学的研究中起着越来越重要的地位,已广泛用于生命科学、环境分析、药物分析等领域。

1.电化学生物传感器简介1.1 电化学生物传感器的原理电化学生物传感器是指由生物体成分（酶、抗原、抗体、激素等）或生物体本身（细胞、细胞器、组织等）作为敏感元件，电极（固体电极、离子选择性电极、气敏电极等）作为转换元件，以电势或电流为特征检测信号的传感器。

其原理结构[9]如下图 1 所示。

图1 电化学生物传感器的基本构成示意图1.2 电化学生物传感器的发展电化学生物传感器的应用广范，它已经渗透到医药领域、食品卫生、环境检测等生活实践中去，只要应用有：细茵及病毒感染类疾病诊断[24]，基因诊断[25，26]，药物分析[27]，DNA 损伤研究[28]等。

由此可见，电化学生物传感器的研究对临床医学和遗传工程的研究具有深远的意义和应用价值。

２.电化学生物传感器分类2.1 电化学免疫传感器免疫分析法是一种利用抗原与抗体特异性结合而建立的高度选择性的生物化学分析方法，它通过抗体与对应抗原形成免疫复合物，进而对待分析物进行定量检测。

[1]1959年Berson和Yalow建立了放射免疫分析方法（RIA），大大提高了免疫测定的敏感度。

这种标记免疫测定开拓了医学检验的新领域，应用于激素、蛋白质、感染性疾病的抗原和抗体以及药物等的微量测定。

但是由于RIA有放射性污染等缺点，从而限制了自身的应用和发展。

1971年Engvall和Perlman建立了固相酶免疫测定方法（ELISA），这种非放射标记免疫测定在临床检验，特别是感染性疾病的诊断中取得了广泛应用。

但是，因ELISA最后测定的是颜色的光密度，其精密度和敏感性远低于RIA水平。

1990年Henry等[1]提出了免疫传感器的概念，根据换能器的不同可以划分为：（1）电化学免疫传感器；（2）质量检测免疫传感器；（3）光学免疫传感器；（4）热量检测免疫传感器。

其中电化学免疫传感器是基于抗原抗体反应的，可进行特异性的定量分析的自给式的集成器件，抗原、抗体是分子识别元件，且与电化学传感元件直接接触，并通过传感元件把某种化学物质浓度信号转变为相应的电信号[2]。

电化学免疫传感器具有选择性好，种类多，测试费用低，适合联机化，易实现在体检测，不受样品颜色、浊度的影响（即样品可以不经处理，不需分离），所需仪器设备相对简单，具有简便、快速、体积小等诸多优点[3]。

能广泛应用于医疗、食品分析、工业生产、环境检测等领域。

2.2 电化学适体传感器适体是一种通过体外筛选技术，也就是指数富集配体的系统进化技术（简称SELEX，systematic evolution of ligands by exponential enrichment）在含有大量的核酸分子库中得到的，功能类似于单克隆抗体的，能够与蛋白质、小分子、离子、核酸、甚至整个细胞等目标分子高特异性、高亲和力结合的单链寡聚核苷酸。

适体也称为核酸适体、适配体、适配子等。

它的英文名为aptamer，源于拉丁语aptus，即适合之意，可以是RNA, 也可以是DNA, 长度一般为25~80个核苷酸[3~5]。

适体与各种目标物的高特异性结合是建立在单链核酸结构和空间构象的多样性基础上的。

它可以通过链内某些互补碱基之间的配对以及氢键作用、静电作用等发生自身适应性的折叠，从而形成一些具有稳定、特殊的三维空间结构，比如G-四聚体（G-quartet）[6]、茎-环（stem-loop）[7]、假节（pseudoknot）[8]、发卡（hairpin）[9]等（图1.1）。

目前，适体被广泛应用于药物检测、生物传感器、医学诊断和治疗等方面。

电化学适体传感器（electrochemical aptasensor）是以适体作为分子识别的接受器（receptor）并通过固定化技术将其结合到感受器表面。

发生特异识别反应后，生成适体-目标分析物复合物与产生的信号相关联，再以电化学电极、场效应晶体管、热敏电阻、压电石英晶体等作为换能器（transducer）将其转化为与目标分析物浓度（或活度）有关的可定量或者可处理的电化学信号，这样就可以根据电化学信号的改变实现对目标分析物的定量检测。

图2是电化学适体传感器的检测原理示意图。

目前，用于固定适体的工作电极主要有玻碳电极[24]、丝网印刷碳电极[25]、金电极[26]、金阵列电极[27]、金芯片电极[28]和铟锡氧化物（ITO）电极[29]等。

图2电化学适体传感器原理示意图。

2.3 电化学DNA传感器DNA 是生物体中重要的的遗传信息携带者，是具有遗传效应的分子片段。

它通过复制、转录等行为对遗传信息进行表达。

DNA 序列中的些微改变，使得基因突变，例如一个或几个核苷酸的损伤、缺失或插入DNA 序列等，就会导致遗传性状的改变和疾病的出现[1]。

自发现DNA 的双螺旋结构以来，有关DNA 的识别、定量定性分析一直是科学家们关心的热点。

DNA 是一种柔性生物分子，构成DNA 的基本单元是脱氧核糖、核苷酸和磷酸。

核苷酸碱基主要有四种，分别为：腺嘌呤（adenine A）、鸟嘌呤（guanine G）、胞嘧啶（cytosine C）和胸腺嘧啶（thymine T）。

图 3 核苷酸中四种主要的碱基DNA 分子的一级结构是指将脱氧核苷酸通过3',5'-磷酸二酯键按照一定顺序排列起来而形成没有支链的直线形或环状结构的原始脱氧核苷酸链。

DNA 的一级结构决定了遗传信息的种类和数量。

两条DNA 单链通过碱基对的互补作用而形成双链DNA 分子，即为DNA 双螺旋模型的二级结构，由Watson 等1953 年首次提出。

DNA 双螺旋分子是由两条互补脱氧核糖核苷酸链组成，其内侧是碱基，两链以平行方向盘绕同一条轴形成右旋的双螺旋。

腺嘌呤和胸腺嘧啶由两个氢键连结，鸟嘌呤和胞嘧啶由三个氢键连接。

DNA分子中互补碱基的含量相同，即A与T 量相等，G与C量相等。

DNA的碱基组成具有特异性，不同物种的DNA 有独特的碱基组成。

DNA双螺旋结构如图4所示。

图4 DNA 双螺旋结构示意图稳定性的DNA 双螺旋结构主要归功于以下几种力：（1）互补碱基对之间的氢键；（2）碱基堆积作用，即碱基上的π电子之间的相互作用；（3）介质的阳离子与DNA 双螺旋中磷酸基上的负电荷之间的静电作用。

但即使室温下，DNA 双螺旋也并不是绝对稳定的，会有一部分氢键呈打开状态，而且打开部位不固定。

电化学DNA 传感器是能将待检测的DNA 转变为可测的电信号的传感装置。

研制、开发新型的电化学DNA 传感器是分子生物学和电化学中较为活跃的领域之一，它为生命科学的研究提供了新方法，对遗传工程和临床医学的研究均有深远的意义，在抗癌药物筛选、药物作用机理研究、基因检测等方面占有一席之地，属于生物电化学中极具生命力的前沿领域之一。

一般情况下，电化学DNA 传感器由电化学活性杂交指示剂和固定DNA 探针的电极构成。

通常DNA探针是用人工合成的短链DNA 修饰到电极表面，可以选择性杂交目标DNA，由于杂交前后的电极表面吸附物的结构发生变化，所以可以通过具有电活性、选择性的杂交指示剂来识别，记录变化的电流、电压等信号可检测靶DNA 的量。

电化学DNA 传感器测定DNA 的步骤主要有四步。

一是固定DNA 探针，即将ssDNA探针固定到电极表面。

二是靶DNA与DNA 探针杂交，使互补的靶DNA与其在电极表面杂交生成dsDNA。

三是加入电活性的杂交指示剂，将杂交行为转化为电流、电压等信号。

四是将电压、电流或电导等电化学信号的变化记录下来。

3.信号放大技术在电化学生物传感器中的应用3.1纳米粒子信号放大技术在电化学适体传感器中的应用纳米粒子是指基本单元的颗粒或晶粒尺寸在1~l00 nm之间的材料。

纳米粒子结构既不同于体块材料，也不同于单个的原子，具有独特的物理化学性质（如小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等）。

纳米粒子所具有的小尺寸效应和表面效应使其与其它原子结合时表现出很高的化学活性，易与其他原子结合而使纳米粒子的比表面积、表面能及表面结合能迅速增大。

因此，利用纳米粒子这些特点可将其作为固载基质固载标记物（如酶、信号物质等），有效高标记物的固载量。

此外，纳米粒子具有良好的生物相容性，能提供一个类似生物分子本体环境的微环境，起到保持生物组分活性的良好作用。

以上这些独特的性能使纳米粒子能够充分满足传感器多功能、微型化、高速化的要求。

因此纳米粒子非常适合用于构制高选择性、高灵敏度的电化学适体传感器。

目前碳纳米管、石墨烯、纳米金和磁珠作为信号放大在这方面的应用最为常见。

3.2酶催化信号放大技术在电化学适体传感器中的应用酶（enzyme）是一类由生物体产生的具有生命调节能力的蛋白质，人体中各种代谢反应都离不开酶的参与，在生命过程中扮演着重要的角色，具有高效的催化能力和高度的专一性，因此，将酶催化运用到高灵敏度传感器的构建具有非常重要的意义。

酶催化信号放大有效改善电化学传感器灵敏度是通过酶催化底物氧化还原反应产生电子循环而实现的。

一般情况下，酶在电极表面的固定是通过共价键合和纳米技术来实现，因此酶催化信号放大往往与纳米放大技术联用，实现信号双重放大。

在酶催化信号放大技术中，常用的酶有葡萄糖脱氢酶、碱性磷酸酯酶、辣根过氧化物酶等，这些都是蛋白质，其催化活性易受温度、酸度等环境因素的影响，而且成本也高。