DNA电化学生物传感器的研究进展
电化学生物传感器技术发展趋势
电化学生物传感器技术发展趋势引言：电化学生物传感器是一种基于电化学方法来检测生物分子的传感器技术。
其具有高灵敏度、快速响应、简单操作等特点，在医疗、食品安全、环境监测等领域有着广泛的应用前景。
本文将讨论电化学生物传感器技术的发展趋势，包括纳米材料的应用、智能化和便携化的发展以及生物分子的检测范围的扩大。
一、纳米材料的应用纳米材料具备较大的比表面积、特殊的光电性质和化学性质，对电化学生物传感器的性能具有重要的影响。
纳米材料可以用作传感器的载体，实现对生物分子的高灵敏度和快速响应。
常见的纳米材料包括金纳米颗粒、碳纳米管和二维材料等。
未来，可望进一步开发新型纳米材料，并通过纳米技术提高其制备工艺，以增强电化学生物传感器的性能。
二、智能化和便携化的发展随着物联网、云计算等技术的发展，智能化和便携化成为电化学生物传感器技术的发展趋势。
智能化的电化学生物传感器能够实现数据的自动采集、分析和存储，减少了人工操作的复杂性。
便携化的电化学生物传感器可以方便地携带和使用，实现在任何时间和地点进行生物分子的检测。
未来，可预期更多智能化和便携化的电化学生物传感器问世，为人们提供更加便捷和实用的检测手段。
三、生物分子的检测范围的扩大随着生物科学的发展和人们对健康的关注度增加，人们对生物分子的检测需求越来越多样化。
电化学生物传感器技术的发展将扩大生物分子的检测范围。
目前电化学生物传感器已经应用于检测蛋白质、DNA、细胞等生物分子，未来有望扩大到检测更复杂的生物分子，如药物、代谢产物等。
此外，电化学生物传感器也有望应用于早期癌症的诊断和治疗监测等领域。
结论：电化学生物传感器技术作为一种高灵敏度、快速响应、简单操作的生物分子检测技术，具有广泛的应用前景。
未来的发展趋势将集中在纳米材料的应用、智能化和便携化的发展以及生物分子检测范围的扩大。
通过不断地研究创新和技术进步，电化学生物传感器技术有望为人们提供更加高效和精确的生物分子检测手段，为医疗、食品安全、环境监测等领域带来更大的便利和贡献。
电化学_生物传感器快速检测大肠杆菌的研究进展.
0引言水和食品中细菌的检测,特别是致病性细菌的检测,对于控制传染病、保护环境卫生和人民群众身体健康都有着重要的意义。
在水和食品中传播的各种致病性细菌中,大肠杆菌是最为普遍的一种。
它是人及各种动物肠道中的常居菌,常随粪便从人及动物体内排出,广泛散播于自然界。
人体感染了部分大肠杆菌可引起腹膜炎、出血性肠炎、胆囊炎、阑尾炎和尿道炎等疾病,严重者甚至死亡[1~2]。
在卫生质量的评价和控制中,通常采用大肠杆菌作为指示菌,利用对指示菌的检测和控制来了解水体或食品等的受污染状况,从而评价其质量以保证卫生安全。
大肠杆菌的传统检测方法包括多管发酵法和滤膜法等,存在操作繁琐、检测时间长(一般需要1~2天才能得到结果等缺点,难以满足污染源快速诊断的需要。
近年来,许多基于不同检测原理的方法已得到长足的发展,比如聚合酶链反应[3~5]、免疫学检测[6~7]、质谱测定[8]、光学测定[9~10]等等。
与传统方法相比,这些方法具有一定的优势,但所需的检测时间仍然较长。
因此,建电化学/生物传感器快速检测大肠杆菌的研究进展程欲晓,金利通*(华东师范大学化学系,上海200062摘要:大肠杆菌广泛分布于自然界中,通常被用来作为水体系统排泄物污染情况的指示菌。
它是大面积食物中毒的主要原因之一,严重感染者会引发败血症、肾功能衰竭等危及生命的并发症。
电化学/生物传感器具有独特的优势,如能在浑浊溶液中操作、选择性好、灵敏度高、检测速度快等,因此在临床检测、环境保护和食品安全等领域得到了广泛应用。
该文主要对电化学/生物传感器快速检测大肠杆菌的研究进展进行了简要的综述。
关键词:大肠杆菌;电化学/生物传感器;快速检测Development of rapid detection of escherichia coli byelectrochemical sensor and biosensorCheng Yu -xiao,Jin Li -tong *(Department of Chemistry,East China Normal University,Shanghai 200062,ChinaAbstract:Escherichia coli (E.coli,spreading abroad in natural environment,are commonly used as indicators of fecal contamination in water environments.They are one of the major causes of food-borne outbreaks and can pro -duce life -threatening complications ranging from blood diarrhea to renal failure.Electrochemical sensors and biosensors have more advantages than other methods in that they can operate in turbid media and have good selec -tivity and high sensitivity.Therefore,they are applied widely in clinic diagnostics,environmental protection and food sanitation.This paper reviews briefly the recent development of rapid detection of E.coli by electrochemical sensors and biosensors.Key words:escherichia coli;electrochemical sensor and biosensors;rapid detection 基金项目:上海市科委No.06dz05824资助项目*通讯联系人,E-mail:ltjin@ .cnVol.29,No.1Mar .2009化学传感器CHEMICALSENSORS第29卷第1期2009年3月立快速检测大肠杆菌的新方法成为环境监测和食品卫生领域专家和学者的一个巨大挑战。
电化学DNA传感器研究进展
０ 前
言
生 物样 品如血液 、 清 、 血 器官 、 液 中特 定 Ｄ 体 ＮＡ 序列 的测定 在生 物 医 学 领域 有着 非 常 重 要 的 意 义 。 其测定 结果 可 以用来 对遗 传性 和传 染性 疾病进 行 鉴 别 和 检测 例如 ， 胞囊 纤 维 症 、 肉营养 失 调 、 状 肌 镰 细胞血症 、 友 病 等 都 是 由 于 正 常 ＤＮ 碱 基 序 列 血 Ａ 的特定变 化 所 引起 的 １。并 且 ， 随着 人 类 基 因计 划 的完成 ， 能基 因研究 的深 入 ， 功 进行 基 因诊 断 已经逐 渐 成为 分子 生物 学和 生物 技术研 究 的重要 领域 电化学 ＤＮ 传 感 器 正 是 在 这 一 思 想 指 导 下 ． Ａ
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｅ ｏ ｖ ｍ ｅ ｔｏ ｌ ｃ ｒ ｃ ｅ ｉ ａ ｓ ａ ｃ ｖ ｌ ｅ ｎ ｆｅ ｅ ｔ ｏ ｈ ｍ ｃ ｌＤＮＡ ｉ ｓ ｎ ｏ ｂｏ ｅ ｓ ｒ
Ｍ Ａ ｉ ．Ｂ ＩＹａ Ｌ Ａ ｎ ，ＬＩ Ｚ ｏ ｇ ｍ ｌ ｇ ＬＩ Ｆ ｎ ￣ Ｕ ｈቤተ መጻሕፍቲ ባይዱｎ — ｎ ２ Ｕ ａ ｇ
Ａｂｔａ ｓ ￣： Ｅｌｃｒ ｃｅ ｃ ｌ ｒ ｅ ｔ ｈ ｍｉａ ｏ ＤＮＡ ｋｓｎ ｅｎ ｉｄｏ ｉｓｎ，ｒｗｉｈｎ ｗ ｉｅ ， ａ ａ ｅｃ ｉ ｉｎｆ ａ ｃ ｂ ￣ ｍｒｂ ｉｇ ａｋｎ ｆｂｏｅ ｓ ｔ ｅ ｄ ａ ｈ ｓ ｆｒｒａ ｈｎ ｓｇ ｉｃ ｎｅ ｅ ｏ ｇ ｉ ａ ｄａ ｐｉａ ｌ ａｕ ｈ ｔｄ ｆｃｉｉ ｌ ｄｃｎ ｎ ｅ ｅｉ ｐ ｑｅ ｔａ ｄｈ ｓｇ ａ ｕ ｌ ，ｘｍｅａ）ｉ ｏ ｔｎ ｎ ｐ ｌ ｂｅｖ ｌｅｉ ｔｅｓｕ ｙｏ ｌ ｃ ｃ ｎ ｎ ａ ｍｅ ｉｉｅａ ｄｇ ｎｔ ｃ ｎ ａ ｒｄ ａｌ Ｌ ｃ） ｔ ｍＦ ｒａ ｔ ｃ ｙ ￣
生物传感器的研究进展综述
生物传感器的研究进展综述一、本文概述生物传感器作为一种集成了生物识别元件和信号转换器的设备，其在生物、医学、环境、食品安全等领域的应用日益广泛。
本文旨在综述生物传感器的研究进展，包括其基本原理、分类、应用领域以及存在的挑战和未来的发展趋势。
我们将重点关注近年来在生物传感器领域的创新技术和研究成果，以期为读者提供一个全面而深入的理解。
我们将简要介绍生物传感器的基本原理，包括其工作机制和主要构成部分。
接着，我们将根据生物识别元件的不同，对生物传感器进行分类，并详细讨论各类生物传感器的特点和应用领域。
在此基础上，我们将重点分析近年来在生物传感器研究方面的主要进展，包括新材料、新技术和新方法的开发和应用。
我们还将探讨生物传感器在实际应用中所面临的挑战，如灵敏度、特异性、稳定性和寿命等问题，并就此提出可能的解决方案。
我们将展望生物传感器未来的发展趋势，预测其在未来可能的应用领域和发展方向。
通过本文的综述，我们希望能够为研究者提供一个关于生物传感器研究进展的全面视角，为其未来的研究和开发提供有益的参考。
二、生物传感器的基本原理与技术生物传感器是一种利用生物分子识别元件与物理或化学换能器相结合，对生物物质进行高选择性、高灵敏度检测的新型分析装置。
其基本原理是将生物分子识别过程（如酶促反应、抗原抗体反应、核酸杂交等）与信号转换器（如电化学电极、光学器件、压电晶体等）相结合，通过生物识别元件与待测物之间的特异性相互作用，将生物化学反应产生的信息转化为可检测的电信号、光信号或其他形式的信号，从而实现对待测物的定性或定量分析。
生物传感器的核心技术包括生物识别元件的制备与固定化技术、信号转换与处理技术，以及传感器的微型化与集成化技术。
生物识别元件的制备是实现生物传感器特异性与灵敏度的关键，常见的生物识别元件包括酶、抗体、核酸适配体、细胞和组织等。
信号转换与处理技术是生物传感器将生物识别信号转化为可测量电信号的核心，常见的信号转换方式有电化学转换、光学转换、热学转换等。
生物传感器的研究进展与应用研究
生物传感器的研究进展与应用研究在现代科学领域中，生物传感器是一种广泛应用的技术，不仅在医疗保健领域有重要的应用，也被广泛应用于环境监测、工业生产等领域。
生物传感器的研究已经发展了几十年，历经多次革新和进步，如今已形成了包括电化学传感器、光学传感器、质谱传感器、生物发光传感器等多种类型的传感器。
本文旨在概述生物传感器的基本原理和分类，以及目前已有的主要研究进展和应用研究。
一、生物传感器的基本原理及分类生物传感器作为一种生物分析技术，主要是利用生物反应的特异性和灵敏性将生物分析过程转化为可测量的电、光、声等信号，从而实现对生物分子的快速、精确检测。
生物传感器按照其信号转换机制可以分为电化学传感器、光学传感器、质谱传感器、生物发光传感器等多种类型。
其中，电化学传感器是利用电化学反应过程的一系列物理和化学变化，对反应过程中发生物质转化的电流、电势变化等参数进行检测和记录。
这种传感器具有灵敏度高、选择性好、响应速度快等优点，广泛应用于环境污染监测、食品检测、医学诊断等领域。
光学传感器是利用光学传感器反射特性基于光学原理进行测量，其中包括表面增强拉曼光谱传感器、表面等离子体共振传感器等等。
质谱传感器基于质谱分析原理，用来检测生物分子的质量和结构。
而生物发光传感器基于生物体内活性荧光物质特性，利用荧光发射强弱进行检测和记录。
二、生物传感器的主要研究进展随着科技不断发展，生物传感器也在不断地发展中。
生物传感器的主要研究进展体现在以下几方面。
1、灵敏度提高近年来，生物传感器的灵敏度得到了不断提高。
传统的“热点”识别法、荧光共振能量转移、表面等离子体共振等技术的出现为生物传感器的灵敏度提高提供了有力的支撑。
此外，研究人员也通过改变传感器表面形貌、优化传感器的工作液、加强传感层对于目标分子的覆盖度等方法提高灵敏度。
2、多样化应用生物传感器的应用范围越来越广泛。
传统的医疗监测、环境监测等领域，已经可以应用到食品安全、生物制药、无机化学等领域。
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。
电化学生物传感器的研究与应用现状
电化学生物传感器的研究与应用现状电化学生物传感器的研究目前主要集中在三个方向：传感器构建、信号放大和检测仪器的开发。
传感器构建主要包括生物识别分子的修饰和载体材料的选择。
生物识别分子可以是抗体、酶、DNA等，通过与目标物质的特异性相互作用，实现对目标物质的检测。
载体材料选择需要考虑电化学活性、生物兼容性、稳定性等因素，常见的载体材料有玻碳电极、金属薄膜等。
信号放大主要通过引入纳米材料、纳米结构或功能材料，增强电化学传感器的灵敏度。
检测仪器的开发旨在提高传感器的检测性能和实用性，主要包括微流控技术、传感器阵列和便携式检测仪器等。
电化学生物传感器在医学诊断领域的应用已经取得了重要进展。
例如，血糖仪是最常见的电化学生物传感器之一，用于测试血液中的葡萄糖含量，对糖尿病患者的日常管理起到了重要作用。
此外，电化学生物传感器还可以用于监测血清中的肿瘤标志物、心肌酶等，辅助临床诊断，提高疾病的早期诊断率。
在食品安全方面，电化学生物传感器也发挥着重要作用。
传统的食品检测方法通常需要昂贵的仪器设备和复杂的分析程序，而电化学生物传感器则具有快速、灵敏和简单的优点。
通过检测食品样品中的有害物质，例如重金属、农药残留和毒素等，电化学生物传感器能够有效地保证食品安全，减少食品中的有害物质对人体的危害。
此外，电化学生物传感器还被广泛应用于环境监测。
例如，可以利用电化学生物传感器检测水体中的有毒金属离子、有机物污染物等，为环境污染监控提供有效手段。
另外，电化学生物传感器还可以用于检测空气中的污染物，例如二氧化硫、氮氧化物等，为空气质量监测提供帮助。
总之，电化学生物传感器是一种有着广泛应用前景的检测技术。
随着传感器构建、信号放大和检测仪器的不断改进和创新，电化学生物传感器将在医学诊断、食品安全、环境监测等领域发挥更加重要的作用。
基于纳米材料和环糊精的新型DNA电化学生物传感器的研究
基于纳米材料和环糊精的新型DNA电化学生物传感器的研究【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。
电化学DNA检测方法以其灵敏度高、轻巧便宜、携带方便、耗能少、能与现代微电子技术联用，易于实现微型化等优点，受到了研究者们的广泛关注，俨然成为当今生物学、医学领域的前沿性课题。
纳米技术的出现为纳米材料在分析化学领域的发展和应用开辟了新的思路。
纳米颗粒的比表面积大、表面反应活性高、催化效率高、吸附能力强等优异性质，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，为生物医学研究提供了新的研究途径，同时也推动了化学和生物传感器的迅速发展。
纳米粒子的独特性质与生物分子杂交反应和电化学检测方法相结合，使其应用范围更加广阔(例如：纳米生物电子)。
纳米粒子生物分子连接可能用于DNA疾病的诊断，并且对生物分析化学产生巨大的影响。
超分子化学是基于分子间的非共价键相互作用而形成的分子聚集体化学，在与材料科学、生命科学、信息科学、纳米科学与技术学科的交叉融合中，超分子化学已发展成为超分子科学。
并成为创造新物质、实现新功能的一种新的重要途径，被认为是21世纪新概念和高技术的重要源头之一。
环糊精作为超分子化学的重要主体化合物以其独特的性质而倍受关注。
对它的研究也逐渐从主客体识别形成包合物的机理转移到对其在分析化学、医药、环境保护和传感器等领域的应用研究中。
本论文的主要创新之处就是将纳米技术、层层组装技术、超分子包合作用等与电化学分析技术相结合用于核酸分子杂交或凝血酶蛋白的分析检测，研制具有高灵敏度高选择性的新型电化学生物传感器，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。
生物样品的生物传感器技术的研究进展
生物样品的生物传感器技术的研究进展生物传感器技术是指基于生物分子的特异性识别和生物反应，通过转化成电、光、热等信号进行检测分析的一种技术。
在分析领域中很受欢迎，尤其是在生物样品分析中。
生物样品是指从生物体中提取的任何类型的样品（如血液、尿液、唾液、粪便等），是生物医学研究的基础和关键，而生物传感器技术则可以提高生物样品的检测、分析和诊断的准确性和效率。
１．生物传感器的原理和分类生物传感器的原理是通过生物分子与检测物相互作用，改变载体材料的电学、光学或机械性质，从而实现对检测物信号的转化。
目前，生物传感器主要有电化学传感器、光学传感器、磁性传感器和微流控芯片等四种类型。
其中，电化学传感器是最常见的一种类型，其基本原理是通过生物分子与检测物相互作用，改变电化学信号，从而进行检测。
因此，电化学传感器的优点在于其快速响应、灵敏度高、可重复性好和易于制备等特点。
光学传感器主要是利用发光分子、旋转偏振现象、吸收现象等原理对生物分子进行检测。
由于光学传感器的灵敏度、选择性高，且对于不同波长、能量的光基本不互相干扰，因此，可以同时对多种生物分子进行监测。
磁性传感器是指利用磁性材料对检测物的磁性浓度进行检测的传感器。
由于磁性传感器不受样品质量影响、稳定性好、检测精度高等优点，因此，其在生物样品分析中具有很大的应用前景。
微流控芯片则是指通过微小流道和微阀门等微加工技术将生物样品分析实验室微型化的芯片。
由于其检测时间短、检测容量小，且成本低等特点，因此，在生物样品的快速检测和药物筛选等方面具有广泛的应用前景。
２．生物样品的生物传感器技术的研究进展生物样品的传感器技术是目前生物医学研究的热点之一。
在生物样品的快速检测、分析和诊断等方面，各种新型的生物传感器技术也不断涌现。
例如，在艾滋病毒检测领域中，科学家们研究出一种新型的电化学生物传感器，利用已知的艾滋病毒抗原来检测病毒感染（其主要成分是一种HLA分子）。
通过选择性敏感于HLA分子的DNA酶切割酶和电化学信号的转化，可以在快速、精准的方法中检测病毒感染。
生物传感器的研究及应用前景
生物传感器的研究及应用前景近年来，随着生物技术的不断发展和人们对健康意识的提高，生物传感器逐渐成为了研究热点之一。
生物传感器是一种能够通过特定的生物反应来检测生物分子、细胞等微小生物体系的装置。
它具有灵敏度高、选择性强、响应速度快等优点，可以被广泛地应用在医疗、环境监测、食品安全等领域。
一、生物传感器的分类根据传感器所针对的生物成分，可以将生物传感器分为DNA传感器、蛋白质传感器、细胞传感器、组织传感器等多种类型。
其中，DNA传感器旨在检测特定的DNA序列；蛋白质传感器旨在检测特定的蛋白质；细胞传感器能够检测细胞的生物学状态；组织传感器则用于检测组织学上的参数，例如细胞分化和死亡。
根据传感器的工作原理，又可以将生物传感器分为电化学传感器、荧光传感器、质谱传感器等多种类型。
电化学传感器是通过测量反应过程中电化学信号的变化来检测生物成分的含量；荧光传感器则通过检测样品的荧光强度来确定生物成分的含量；质谱传感器则常用于分析复杂样品中的生物成分，具有高灵敏度和高选择性的特点。
二、生物传感器的应用前景（一）医疗领域在医疗领域，生物传感器有着广泛的应用前景。
它可以被用于检测生物标志物、病原体等，从而实现快速、准确的诊断。
例如，COVID-19病毒的检测中就采用了基于PCR技术的生物传感器。
此外，生物传感器也可以被用于检测药物的浓度和疗效，从而实现个性化治疗。
（二）环境监测领域生物传感器还可以被用于环境监测。
它可以被用于检测污染物、重金属等有害物质，从而保障人类的生存环境。
例如，一些基于微生物的生物传感器可以检测各类有害物质，他们能迅速，可靠地检测水，空气等环境中的污染物。
同时，这种生物传感器根据检测出的数据，可以实现环境治理的指导。
（三）食品安全领域成分检测、质量检测等问题是食品安全领域的难点。
生物传感器可以被应用于食品安全检测，以检测食品中的有毒或者不安全物质。
例如，基于免疫学原理的生物传感器可以被用于食品中毒物质的检测，如检测食品中病毒，细菌等致病微生物。
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。
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。
电化学生物传感器原理、发展趋势及应用
电化学生物传感器原理、发展趋势及应用一、电化学生物传感器的检测原理电化学生物传感器（electrochemical biosensor）是指由生物材料作为敏感元件，电极（固体电极、离子选择性电极、气敏电极等）作为转换元件，以电势或电流的变化为特征检测信号的传感器，简称生物电极。
这类传感器发展最早，研究内容十分丰富，并已经得到广泛应用。
电流型传感器主要基于探测生物识别膜或化学反应中的电活性物质，通过固定工作电极的电位提供电活性的电子转移反应驱动力，探测电流随时间的变化。
该电流直接反映了生物分子识别和电子转移反应的速度，即该电流与待测物质的浓度成正比。
电位型传感器将生物识别反应转换为电位信号，该信号与生物识别反应过程中产生或消耗的活性物质浓度对数成正比，从而与待测物质浓度的对数成正比。
电位型离子选择电极的选择性渗透离子导电膜可设计成与待测离子相关的产生电位信号的敏感膜，测试在电流为零的条件下进行。
根据作为敏感元件所用生物材料的不同，电化学生物传感器分为酶电极传感器、微生物电极传感器、电化学免疫传感器、组织电极与细胞器电极传感器、电化学DNA传感器等。
电化学生物传感器具有以下特点：1.适合于对生物体液中的物质活度测定的需要，响应直观，通过计算机联用，可直接读出待测生物物质的浓度或活度。
2.由于其具有分子识别的功能和高选择性，在许多测定中，样品无需复杂处理，操作简便，易于自动化监测，可连续监测患者的血液物质浓度。
3.测定速度快电讯号的输出和测定响应快速，通过与计算机的接口还可进行多成分同时测定。
4.试样用量少可以将敏感探头微型化，只需微升级样品即可完成分析。
如有的K+、Ca2+、Cl-、Na+及CO2分析仪仅需50μl样品，每小时可测100个样品，这为临床检验缩短检测周期提供了条件。
5.可对体内物质直接和动态测量。
将微小探头埋在体内或留置于血管中，可以指示体内物质的变化，有利于床旁或现场检测。
6.灵敏度高例如AFP免疫电极可测定10-8～10-10 g/ml的浓度。
电化学生物传感器的研究与应用现状
电化学生物传感器的研究与应用现状一、绪论电化学传感技术是一种基于电化学现象的分析方法，通过检测电化学反应的电流、电压或电容等参数，实现对目标物质的快速、灵敏、选择性检测和定量分析。
生物传感器是基于一定的生物识别元件，将生物反应与电化学传感技术相结合而构成的一种新型的化学传感器。
电化学生物传感器利用生物识别分子对生物样品中的多种成分进行特异的识别和分析，同时实现了检测过程中对样品的非破坏性、实时在线监测，已经成为目前研究的热点之一。
二、电化学生物传感器的分类电化学生物传感器按照生物识别元件的类型，可以分为酶传感器、抗体传感器和核酸传感器等。
其中，酶传感器是使用酶作为生物识别元件的电化学生物传感器，可以测定一大类生物分子，如葡萄糖、乳酸、胆碱等，具有高灵敏度、高特异性和实时监测的特点，已经应用于食品安全、环境监测、医学诊断等领域；抗体传感器是使用特异性抗体作为生物识别元件的电化学生物传感器，具有高选择性和快速响应的特点，主要用于监测大分子生物分子，如蛋白质、病原体等；核酸传感器是使用具有特殊结构的DNA或RNA分子作为生物识别元件的电化学生物传感器，具有高特异性、高选择性、高灵敏度和易于制备的特点，可用于检测基因突变等。
三、电化学生物传感器的工作原理电化学生物传感器基于生物识别分子识别目标分子的特异性和反应活性，将生物反应产生的电化学信号转化为目标分子浓度的定量关系，其工作流程主要分为三个方面：第一步是生物识别分子与目标分子的特异性识别反应，该反应通常在电极表面发生，并伴随着一系列复杂的电化学反应，如电荷转移、质子转移、氧化还原等等；第二步是生物反应所产生的电化学信号转化成检测信号，这个过程需要借助电化学传感技术，如传统的循环伏安法、方波伏安法、交流阻抗法等方法；第三步是将检测到的电化学信号转化成目标分子的浓度，这个过程需要借助标准曲线等方法，通过分析信号强度与目标分子浓度之间的函数关系，实现对目标分子浓度的定量分析。
电化学传感器的研究进展与应用
电化学传感器的研究进展与应用电化学传感器是一类能够将化学信息转换为电学信号并实现快速、灵敏、稳定和在线监测的仪器，是当今分析科学和技术领域的热门研究方向之一。
本文将旁证电化学传感器技术的基本原理、典型结构、性能特点及其应用领域的研究进展，展现其在现代分析化学与环境监测中的广泛应用。
一、基本原理电化学传感器是利用化学反应产生的电流变化来探测被测物质浓度和反应动力学信息的仪器。
其基本原理是将一个成对的反应体系分布在阴阳两极上，并将它们分离，使电极与被测介质产生接触，并通过获取额外的氧化还原电势以表明化合物的浓度。
具体而言，电化学传感器包括感受器和纪录器两部分。
感受器是一个可探测被测物的化学反应体系，纪录器则是记录产生的电势变化及其随时间的变化的仪器。
在称之为迁移特性的过程中，电势变化是由电移动阳离子和阴离子到电极产生的。
二、典型结构根据其不同的化学反应和实现机理，电化学传感器可分为桥式电位分析传感器（Biosensor）、酶传感器、电化学气体传感器、电化学波谱传感器、热输出电池（TOC）、电化学微传感器等。
其中，酶催化机理为电化学传感器主要的选择。
酶传感器是应用酶在反应中作为催化剂，利用其高度选择性、高效率和特异性的特点与被测物质反应，产生电流变化，并被电极检测到。
其主要结构有电极、酶反应器、层叠元件、操作电路、信号调理和数据处理系统等。
三、性能特点电化学传感器的主要特点是快速、灵敏、稳定和在线监测。
其快速性体现在响应时间短，可以达到几秒至几分钟的时间，可以实现实时监测。
传感器的灵敏性强，可以达到ppb或更低的浓度级别，即在近似同样的条件下，可以实现比其他传感器更精细的检测。
传感器的稳定性好，监测信息持续稳定可靠，对干扰物的容忍能力强，对反应环境的不利影响不敏感。
在线监测可以减少人工干预和误差，提高相关技术的自动化程度，节省生产成本。
四、应用进展电化学传感器的潜在应用领域非常广泛，如环境监测、食品安全、药物检测、生化分析、生物传感器、分子识别与分离、遥感传感等。
电化学生物传感器的研究与进展
电化学生物传感器的研究与进展随着生物技术的不断发展，生物传感器的应用范围也越来越广泛。
其中电化学生物传感器因其高灵敏度、高选择性、实时检测等特点，受到了广泛关注和研究。
本文将从技术原理、研究进展和未来展望三个方面，对电化学生物传感器进行探讨。
一、技术原理电化学生物传感器的核心技术是将生物分子与电极表面接触，通过生物分子与物质之间的特异性识别和反应，实现对不同物质的定量分析。
其通过电化学电位变化来检测分子之间的相互作用，利用生物分子在电极表面吸附和反应，造成电化学信号变化的原理，实现对物质的检测。
电化学生物传感器的构成分为三部分：生物分子、传感元件和信号转换器。
其中，生物分子是传感器的关键组成部分，可以是抗体、酶、蛋白质、核酸等。
传感元件是指将生物分子固定在电极表面的载体，常用的传感元件有金、银、碳等材料的电极。
信号转换器是将生物分子与传感元件之间的信号转换成期望的电信号，常见的信号转换器有电化学检测仪、光学检测仪等。
电化学生物传感器的主要原理是生物分子和物质之间的特异性识别和反应，利用生物分子固定在电极表面的载体，检测生物分子与物质之间的相互作用，从而实现对不同物质的定量分析。
二、研究进展电化学生物传感器在多个领域得到了广泛的应用，例如环境保护、食品质量检测和生物医学等方面。
以下将分别从这三个方面介绍其应用进展。
1.环境保护电化学生物传感器在环境监测中具有广泛应用，例如对水污染物检测的研究。
由于水污染物种类繁多，需要对各种有害物质进行快速、准确的检测，而电化学生物传感器可以实现直接检测或微量检测，具有高灵敏度、高选择性和实时检测等优点。
例如，通过利用电化学生物传感器对水中的重金属离子、有机物、细菌等进行监测，有效提高了水质监测的效率，进而为环境保护提供了技术支持。
2.食品质量检测电化学生物传感器在食品质量检测中也得到了广泛应用。
在生产加工过程中，食品安全问题是不容忽视的，而传统的检测方法存在多种缺陷。
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。
电化学生物传感器技术的最新进展
电化学生物传感器技术的最新进展近年来，随着科学技术的不断发展和人民生活水平的提高，人们对健康管理和快速检测技术的需求也越来越强烈。
电化学生物传感器技术应运而生，因其具有灵敏度高、可重复性好、成本低等特点，被广泛应用于生物、医药、环境等领域。
本文将从电化学生物传感器技术的基本原理、发展历程、最新进展等方面进行探讨，希望能给读者带来一些启示和帮助。
电化学生物传感器技术的基本原理电化学生物传感器技术是将生物分子与电化学传感技术相结合，通过电化学效应对生物分子进行检测的一种生物传感器技术。
电化学生物传感器主要由三部分组成：生物分子识别层、传感器转换层和电化学信号检测层。
其中，生物分子识别层是通过生物分子对目标物质的选择性识别实现的，传感器转换层是将生物分子的特异性转换为可测量的电化学信号，电化学信号检测层则是利用电化学技术对电化学信号进行检测和分析。
基本上，电化学生物传感器的工作原理可以分为两种类型：基于生物触媒的电化学生物传感器和基于免疫反应的电化学生物传感器。
基于生物触媒的电化学生物传感器通过对酶或生物触媒的选择性识别实现对目标分子的检测。
例如，葡萄糖生物传感器是最早开发的一类基于生物触媒的电化学生物传感器，它可以通过酶催化产生的电化学信号与葡萄糖浓度正相关的特性，实现对血糖浓度的监测。
基于免疫反应的电化学生物传感器则是通过对特异的免疫反应进行选择性识别，实现对目标分子的检测。
例如，生物传感器可以利用抗体与抗原之间的互作用进行选择性识别，实现对病原体、癌细胞等的检测。
电化学生物传感器技术的发展历程电化学生物传感技术最早可以追溯到20世纪50年代的葡萄糖生物传感器。
随着时间的推移，电化学生物传感器技术不断得到改进和发展，进一步扩展了其应用范围。
目前，电化学生物传感器已经应用于多种领域，例如医学、食品安全、环境监测等。
最近几年，电化学生物传感器领域出现了一些新的进展，具体包括以下几方面：1. 纳米材料的应用纳米材料具有良好的化学稳定性、特异性、生物相容性等特点，对电化学生物传感器技术的发展有着很大的促进作用。
DNA电化学生物传感器的研究进展
Ｋｅ ｒ ｓ ｙ ｗｏ ｄ ：ＤＮＡ ｅｅｒ ｃ ｅ ｃ ｌ ｉｓ ｎ ｏ ；ｍｏ ｉ ｅ ｌ ｃｒ ｄ ；ｈ ｂ ｄ ｚ ｔ ｎ ａ ｏ ｍａ ｅｉ ｌ ｌ ｔ ｈ ｍｉａ ｏ ｅ ｓ ｒ ｏ ｂ ｄ ｆ ｄ ｅ ｅ ｔ ｅ ｙ ｒ ｉａｉ ；ｎ ｎ ｔ ｒ ｓ ｉ ｏ ｉ ｏ ａ
张爱春 ，周 存 １ ， ２
（． １天津工业大学 材料科学与工程学 院， 天津 ３０６ ； ． ０ １０ ２ 天津纺织纤维 界面处理工程中心 ， 天津 ３０ ６ ） ０ １０
摘
要 ： 绍了 Ｄ Ａ电化学生物传感 器的组成及原理 ， 介 Ｎ 综述 了近年来单链 Ｄ Ａ的 固定 以及杂交信号的电化 学检 测 Ｎ
当今 ， 临 床 、 医学 、 在 法 药学 领域 的应 用 中实发 展方 向进行 了展望 ．
低浓度下对特定序列的 Ｄ Ａ快速 、简单 的检测是十 Ｎ 分 重要 的【 基 于 电化学 检 测方 法 的 Ｄ Ａ 电化 学生 物 ｌ １ ． Ｎ 传感器 由于简单 、 快速 、 无毒 、 成本低 、 敏度高和可 灵 用 于活体 检测 等优势 引起 了广 泛 的关注 ＿１ Ｎ ２． Ａ电化 ＿Ｄ ３
Ａｂｓｒ ｔ：Ｔｈ ｏ ｔｔｔｏ ｎ ｉｎｃｐ ｅ ｏ ｔ ａｃ ｅ ｃ ｎｓｉｕ ｉｎ ａ ｄ ｐｒ ｉｌ ｆＤＮＡ ｌｃｒ ｃ ｍｉａ ｉ ｓ ｎ ｏ ｒ ｎ ｒ ｄ ｅｄ， ａ ｈ ｅ ｅ ｃ ｒ ｇ ｅ ｓ ｉ ｅｅ ｔｏ ｈｅ ｃ ｌｂ ｏ ｅ ｓ ｒ ａｅ ｉｔｏ ｕｃ ｎｄ ｔ ｅ ｒ ｓ ａｒｈ ｐ ｏ ｒ ｓ ｎ
学 生 物 传 感 器是 从 ２ 纪 ９ Ｏ世 ０年 代 中期 逐 渐 发 展 起 来 的一种新 的传感 器技 术 ， 的基 本结 构包 括 一个 能 它 固定 Ｄ Ａ探针 的电极 和一个 换能 器［， 过 在 电极 表 Ｎ ４通 １
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
［］ ７］ 。Ｈ 泛［ ü ｓ ｋ ｅ ｎ等 ８ 对 不 同 二 茂 铁 衍 生 物 的 标 记 信
基于多壁碳纳米管 、 酞菁钴纳米复合材料 （ ＭＷＮＴ ｓ － ） 和Ｇ Ｃ ｏ Ｐ ｃ ４Ｐ ＡＭＡＭ 制 备 了 一 种 新 型 Ｄ ＮＡ 生 物 传 感 器。 首 先 通 过 Ｇ 的 氨 基 基团与 ４Ｐ ＡＭＡＭ 再以 Ｐ ＭＷＮＴ ｓ的羧基共价结合 ， ＡＭＡＭ 末端的氨 基基团与 Ｄ 端共价结合从而实现 Ｄ ＮＡ 的 ５ ′ ＮＡ 在 电极上的 修 饰 ， 获得定向空间取向的 Ｄ ＮＡ 修 饰 电 极， 克服了传统的共价结合法固定效率低的问题 ， 同 时又可以获得 高 度 有 序 、 高度可接近性的生物敏感 膜 。 但是该方法 步 骤 比 较 繁 琐 ， 涉及表面活化剂和 因此也会带入一些新的影响 。 交联剂的副作用 ， ２． ３ 自组装法 自组装法根据 分 子 的 自 组 装 作 用 ， 在电极表面 形成高度有序 的 ｓ ｓ Ｄ ＮＡ 单 分 子 层 。 主 要 有 两 种 方 法： 利用 ＮＡ 末 端 修 饰 巯 基 ， ① 直接自组装法 。 在 Ｄ 巯基末端与 金 电 极 形 成 Ａ ｕ Ｓ键达到将 Ｄ ＮＡ 固 定 － ［ ３］ 。 在电极上的目的 王锐等 在金电极表面自组装半 胱胺 ， 并用戊二醛进行醛基化 ， 同时固定乙肝表面抗 体和硫 堇 ， 以Ｐ 根据硫堇和辣根过氧 Ｂ Ｓ 液 为 底 液， 化物酶还原峰电流的下降值对乙肝表面抗原进行定 性 和 定 量 检 测。Ｈ ｅ ａ ｚ ｉ等 ｊ
［ １］
而且该方法较为简单 ， 易于后续步骤的进行 。 但 点， 是由于亲水性 核 酸 基 团 的 存 在 ， 具有一定的非特异 性吸附 。 ② 间接自组装法 。 在电极上事先修饰一层 硫化物或者二硫化物 ， 然后引入所需的羟基 、 羧基等 再通过偶联活化剂将 Ｄ 活性基团 ， ＮＡ 共 价 结 合 到 电极表面 ， 从而获得高度有序 、 易于杂交的敏感膜 。 此外 ， 还可以通过层层自组装的方法 ， 在电极表 面修饰纳米材料或者石墨烯等材料以提高电极表面 的电子传递 ， 获 得 更 高 的 检 测 灵 敏 度。 层 层 自 组 装 方法可以获得更大量的组装分子从而使得反应表面 积增大 ， 在一定 程 度 上 可 以 增 加 检 测 的 灵 敏 度 和 检
第１期
赵燕珍等 ： Ｄ ＮＡ 电化学生物传感器的研究进展
２ ０ ９
２． １ 吸附法 带负电的 Ｄ ＮＡ 序列 通 过 静 电 引 力 作 用 吸 附 在 带正电荷电介质的电极表面 ， 从而达到修饰的作用 。 Ｚ ｈ ａ ｎ ｇ等 将双链 Ｄ ＮＡ 和聚铵盐－ ６ 通过层层组 装 的方法固定 在 电 极 表 面 制 备 成 Ｄ ＮＡ 生 物 传 感 器 ，
［ ２］
３ 电活性物质
由于 Ｄ 因 ＮＡ 杂 交 产 生 的 电 流 信 号 比 较 微 弱 ， 而需要加入一些具有电活性的物质来提高仪器的敏 感性 。 指 示 剂 是 一 类 可 以 与 ｓ ｓ Ｄ ＮＡ 或 者 ｄ ｓ Ｄ ＮＡ 以不同方式相 互 作 用 的 电 活 性 物 质 ， 其电活性可以 使检测物质的 电 信 号 增 大 ， 提 高 检 测 灵 敏 度。 常 用 常 见 的 有 道 诺 霉 素、 二 茂 铁、 生物 的指示剂有很多 ， 素等 。 但是不同 指 示 剂 会 有 不 同 的 优 缺 点 ， 下面简 单探讨几种常见指示剂的性质及其相关原理 。 ３． １ 二茂铁 线性二茂铁基萘二酰亚胺 （ 是一种常用 的 Ｆ Ｎ Ｄ） 它与 Ｄ 电化学指 示 剂 ， ＮＡ 双 螺 旋 的 键 合 比 通 常 使 用的插入 剂 更 紧 密 ， 但 是 其 亲 和 性 几 乎 不 受 影 响。 二茂铁和二茂铁基络合物可以直接检测分子内 部的 反应 ， 而且可以作为电子转移的媒介 ， 二茂铁上发生 的氧化还 原 反 应 在 电 化 学 传 感 器 中 的 应 用 最 为 广
２ 生物敏感膜的制备
生物敏感膜决定 Ｄ ＮＡ 传 感 器 检 测 的 灵 敏 度 和 特异性 。 生物敏 感 膜 的 制 备 主 要 有 多 聚 物 包 埋 法 、 共价结合法 、 亲 和 法、 吸 附 法、 自 组 装 法 等。 根 据 选 择的指示剂不同而选择不同的标记方法 。
；广 ｓ ｋ ｔ １ ０ ０ ３） ＊ 传感技术联合国家重点 实 验 室 基 金 资 助 项 目 （ ） 东省自然科学基金博士启动项目资助 （ １ ０ ４ ５ １ ０ ０ １ ０ ０ ２ ０ ０ ４ ９ ３ ５ ： Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ｉ ｅ ｗ＠ｈ ｏ ｔ ． ｃ ｏ ｍ △ 通讯作者 。 ｊ
１ Ｄ Ｎ Ａ 电化学传感器原理及结构
Ｄ ＮＡ 生物传 感 器 基 本 的 原 理 是 Ｄ ＮＡ 碱 基 的 互补配对 ， 通过电极表面固定的已知捕获 Ｄ ＮＡ 序 列与检测样本中 Ｄ ＮＡ 的 互 补 配 对 作 用 形 成 可 传 递 从电极上电信号的变化来对 样本 电子的双链 Ｄ ＮＡ， 中的 Ｄ 当加入样本中的 Ｄ ＮＡ 进行定性检测 ， ＮＡ 序 列与捕获探针 上 的 序 列 存 在 非 配 对 现 象 ， 则电子传 递链断开 ， 产生的电信号就很微弱 ， 因此通过电信号 变化就可以 检 测 出 样 本 中 是 否 存 在 突 变 。Ｄ ＮＡ 电 化学传感器一 般 是 由 敏 感 元 件 即 生 物 敏 感 膜 、 转换 元件即转换器 、 信 号 输 出 三 个 部 分 组 成。 其 中 敏 感 元件和转换元件是生物传感器最主要的两个部分 。
（ Ｄ ｅ ａ ｒ ｔ ｍ ｅ ｎ ｔ ｏ Ｍ ｅ ｄ ｉ ｃ ａ ｌ Ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ， Ｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｌ Ｈ ｏ ｓ ｉ ｔ ａ ｌ ｏ Ｇ ｕ ａ ｎ ｚ ｈ ｏ ｕ Ｍ ｉ ｌ ｉ ｔ ａ ｒ Ｃ ｏ ｍｍ ａ ｎ ｄ ｏ Ｐ Ｌ Ａ， Ｇ ｕ ａ ｎ ｚ ｈ ｏ ｕ５ １ ０ ０ １ ０， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ） ｐ ｆ ｐ ｆ ｇ ｙ ｆ ｇ
Ｄ Ｎ Ａ 电化学生物传感器的研究进展 ＊
赵燕珍 张海燕广州军区广州总医院 医学实验科 ， 广州 ５ １ ０ ０ １ ０
摘 要 ：近年来 ， 随着电化学生物传感器 的 发 展 ， 生 物 传 感 器 在 基 因 诊 断、 环 境 监 测、 药物研究等领域已经广泛应 关于提高生物传感器的灵敏度和选择性 、 优化检测方法的研究也越来越受到大家的关注 。 本文介绍了 电 化 学 生 用， 着重综述生物敏感膜的制备 、 纳米 材 料 和 石 墨 烯 在 提 高 检 测 灵 敏 度 方 面 的 应 用 ， 以及生物 物传感器的原理及组成 ， 传感器在临床诊断和指导临床治疗方面的应用前景 。 关键词 ： Ｄ ＮＡ 电化学生物传感器 ；纳米材料 ；石墨烯 ；灵敏度 （ ） 中图分类号 Ｒ ３ ３ １ 文献标识码 Ａ 文章编号 １ ０ ０ １ ５ ５ １ ５ ２ ０ １ ３ ０ １ ０ ２ ０ ８ ０ ５ － － －
引言
生物传感器是指传感器的分子识别元件即敏感 元件为具有生 物 活 性 的 材 料 ， 该部分与相应的换能 器的结合 ， 能实 现 对 某 些 特 定 化 学 物 质 作 用 变 化 的 比如光电效应 、 热效 检测并产生相应的可检测信息 ， 应、 场效应 、 声效应和质量变化等 。 生物传感器具有 选择性强 、 分析 速 度 快 、 操 作 简 便、 能够在线监测分 析甚至活体分 析 、 能 检 测 极 微 量 污 染 物 的 优 点。 电 化学生物传感器将电化学强大的分析功能与生物识 别过程的特异 性 相 结 合 ， 通过生物反应产生一个与 被分析物质浓度相关的电信号 。 本 文 对 Ｄ ＮＡ 固 定 以及杂交信号 的 电 化 学 检 测 方 面 进 行 综 述 ， 着重介 绍纳米材 料 和 石 墨 烯 材 料 在 电 化 学 传 感 器 中 的 应 并对 Ｄ 用， ＮＡ 电化学传感器的发展作了展望 。
Ｐ ｒ ｏ ｒ ｅ ｓ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ Ｓ ｔ ｕ ｄ ｏ ｎ Ｄ Ｎ Ａ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｃ ｈ ｅ ｍ ｉ ｃ ａ ｌ Ｂ ｉ ｏ ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ ｇ ｙ
Ｚ ｈ ａ ｏ Ｙ ａ ｎ ｚ ｈ ｅ ｎ ｈ ａ ｎ Ｈ ａ ｉ ａ ｎ Ｗ ｕ Ｘ ｉ ａ ｏ ｌ ｉ ｉ ｕ Ｚ ｈ ｏ ｎ ｍ ｉ ｎ ａ ｎ Ｊ ｉ ｅ Ｚ Ｌ Ｗ ｇ ｙ ｇ ｇ ｇ
：Ｗ ， ， Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｔ ｈ ｉ ｔ ｓ ｒ ａ ｉ ｄ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｍ ｅ ｎ ｔ ｔ ｈ ｅ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｃ ｈ ｅ ｍ ｉ ｃ ａ ｌ ｂ ｉ ｏ ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ ｈ ａ ｓ ｒ ｅ ｃ ｅ ｎ ｔ ｌ ｂ ｅ ｅ ｎ ｗ ｉ ｄ ｅ ｌ ｕ ｓ ｅ ｄ ｉ ｎ ｄ ｉ ａ ｎ ｏ ｓ ｉ ｓ ｅ ｎ ｅ ｐ ｐ ｙ ｙ ｇ ｇ ， ｅ ｎ ｖ ｉ ｒ ｏ ｎ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｍ ｏ ｎ ｉ ｔ ｏ ｒ ｉ ｎ ａ ｎ ｄ ｍ ｅ ｄ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ ．Ｍ ｏ ｒ ｅ ａ ｎ ｄ ｍ ｏ ｒ ｅ ａ ｔ ｔ ｅ ｎ ｔ ｉ ｏ ｎ ｈ ａ ｓ ｂ ｅ ｅ ｎ ｆ ｏ ｃ ｕ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｈ ｏ ｗ ｔ ｏ ｉ ｍ ｒ ｏ ｖ ｅ ｔ ｈ ｅ ｇ ｐ ｓ ｅ ｎ ｓ ｉ ｔ ｉ ｖ ｉ ｔ ａ ｎ ｄ ｓ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｉ ｔ ｏ ｆ ｂ ｉ ｏ ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ ． Ｉ ｎ ｔ ｈ ｉ ｓ ｒ ｅ ｖ ｉ ｅ ｗ， ｔ ｈ ｅ ｒ ｉ ｎ ｃ ｉ ｌ ｅ ａ ｎ ｄ ｃ ｏ ｍ ｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｄ ＮＡ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｃ ｈ ｅ ｍ ｉ ｃ ａ ｌ ｂ ｉ ｏ ｓ ｅ ｎ － ｙ ｙ ｐ ｐ ｐ ， ， ｓ ｏ ｒ ｉ ｓ ｓ ｉ ｍ ｌ ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｅ ｄ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ａ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｂ ｉ ｏ ｌ ｏ ｉ ｃ ａ ｌ ｍ ｅ ｍ ｂ ｒ ａ ｎ ｅ ｔ ｈ ｅ ａ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｉ ｎ ｄ ｉ ｃ ａ ｔ ｏ ｒ ａ ｒ ｅ ｓ ｅ ｃ ｉ ａ ｌ ｌ ｅ ｍ ｈ ａ － ｐ ｙ ｐ ｐ ｇ ｐ ｐ ｐ ｙ ｐ ， ｒ ｏ ｓ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｎ ． ｓ ｉ ｚ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｆ ｕ ｔ ｕ ｒ ｅ ｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｍ ｅ ｎ ｔ ｉ ｎ ｔ ｈ ｉ ｓ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ｉ ｓ ｐ ｐ ｇ ｐ ： ；Ｎ ； ； Ｋ ｅ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ Ｄ ＮＡ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｃ ｈ ｅ ｍ ｉ ｃ ａ ｌ ｂ ｉ ｏ ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ ａ ｎ ｏ ｍ ａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ Ｇ ｒ ａ ｈ ｅ ｍ ｅ Ｓ ｅ ｎ ｓ ｉ ｔ ｉ ｖ ｉ ｔ － － ｐ ｙ ｙ