第12卷第6期重庆科技学院学报(自然科学版2010年12月收稿日期:2010-07-20基金项目:重庆市教委科学技术研究资助项目(KJ101315作者简介:刘艳(1968-,女,四川乐山人,副教授,研究方向为电化学传感器。
在生命科学研究和医学临床检验中,需对各种各样的生物大分子进行选择性测定。
据统计,全世界每年要进行数亿次免疫学和遗传学病理检验。
常用的检验小型化分析装置和检测方法,成为目前现代分析化学研究领域的前沿课题。
1962年,Clark 提出将生物和传感器联用的设想,并制得一种新型分析装置“酶电极”。
这为生命科学打开一扇新的大门,酶电极也成为发展最早的一类生物传感器。
生物传感器结合具有分子识别作用的生物体成分(酶、微生物、动植物组织切片、抗原和抗体、核酸或生物体本身(细胞、细胞器、组织作为敏感元件与理化换能器,能产生间断的或连续的信号,信号强度与被分析物浓度成比例。
电化学生物传感器是将生物活性材料(敏感元件与电化学换能器(即电化学电极结合起来组成的生物传感器。
当前,电化学生物传感器技术已在环境监测、临床检验、食品和药物分析、生化分析[2-4]等研究中有着广泛的应用。
本文在此综述电化学生物传感器的工作原理、分类及几个当今研究的热点。
1电化学生物传感器概述1.1电化学生物传感器的原理电化学生物传感器是将生物活性材料(敏感元件与电化学换能器(即电化学电极结合起来组成的生物传感器。
当电化学池中溶液的化学成分变化时,电极上流过的电流或电极表面与溶液的电势差会随之发生变化,这样通过测定电流或电势的变化就可以获取溶液成分或相应的化学反应的变化信息。
电化学生物传感器是在上述电化学传感器原理的基础上,以具有生物活性的物质作为识别元件,通过特定反应使被测成分消耗或产生相应化学计量数的电活性物质,从而将被测成分的浓度或活度变化转换成与其相关的电活性物质的浓度变化,并通过电极获取电流或电位信息,最后实现特定物质的检测。
如图1所示,这类传感器中使用的生物活性材料包括酶、微生物、细胞、组织、抗体、抗原等等。
图1电化学生物传感器的工作原理1.2电化学生物传感器的类别生物传感器主要包括生物敏感膜和换能器两部分。
按照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,其中酶电极由于其高效、专一、反应条件温和且具有化学放大作用而成为电化学生物传感器的研究主流。
按照检测信号的不同,电化学生物传感器可分我国电化学生物传感器的研究进展刘艳(长江师范学院,重庆408100摘要:介绍电化学生物传感器的基本原理及分类;阐述电化学生物传感器的发展历程;综述近三年来电化学生物传感器中研究最为广泛的电流型生物传感器的应用。
关键词:电化学;生物传感器;非特异性吸附;蛋白质吸附中图分类号:O652文献标识码:A文章编号:1673-1980(201006-0153-03电子仪器待分析物生物敏感膜换能器153··为电位型、电流型、电导型和电容型四种形式。
就目前研究情况来看,电流型生物传感器由于其电极的输出信号直接和被测物浓度呈线性关系,而成为研究最多、应用最广的一种类型。
下面主要介绍电流型电化学生物传感器。
2电化学生物传感器的发展电化学生物传感器的发展主要经历了三个阶段,根据所用电子传递剂的不同,电化学生物传感器可以分成第一代、第二代和第三代。
2.1第一代电化学生物传感器第一代电化学生物传感器以自然物质(如氧气作为电子传输媒介。
最早的Clark 型生物传感器,其基本原理是借助于溶液中溶解O2进行酶与电极间的电子传递,从而实现酶的再生。
底物的测定是通过检测产物H2O2浓度变化或氧的消耗量来进行。
1962年,Clark和Lyons首先在氧电极的基础上提出了葡萄糖传感器的设计原理。
随后,在1967年Updike和Hicks把含葡萄糖氧化酶的聚丙烯酰胺膜固定到氧电极上,研制出了第一支葡萄糖传感器。
但由于此类传感器中被检测物的响应信号对氧气的分压有很强的依赖性,且被分析物所在体系中氧气的分压很容易发生变化。
因此,该类传感器电极稳定性不够好,寿命较短,灵敏度较低,抗干扰能力差,难以微型化等。
这些缺点大大地限制了生物传感器的推广和应用。
2.2第二代电化学生物传感器20世纪70年代起,为克服第一代电化学生物传感器的诸多缺点,人们开始用小分子的人造电子传递媒介来代替氧作为媒活中心与电极间的电子通道,通过检测媒介体的电流变化来反映底物浓度的变化,从而构造出了第二代电化学生物传感器。
第二代电化学生物传感器可用作电子媒介体的物质通常有铁氰化物、二茂铁及其衍生物、甲基紫精、四硫富瓦烯、染料分子、Ru、Os的化合物、苯醌等。
该类电极有许多优点,可以在无氧环境中检测生物组分的浓度,解决了传感器对氧气的依赖问题。
这些物质虽具有疏水性,可直接吸附于电极表面,但往往由于吸附不牢而易于流失,同时媒介体也具有潜在的毒性,这些因素都限制了第二代传感器的发展。
国内对第二代生物传感器进行了许多研究工作,从不同角度、不同途径,对其加以改进,如利用某些离子交换聚合物膜,改善上述问题。
这些电极修饰膜自身可牢固粘附于电极表面,通过自身的荷电基团对一些荷电物质产生亲合或排斥作用,能较好改善酶等生物敏感组织以及媒介体的固定牢度;同时,其离子交换特性还赋予电极预富集、离子交换、防污染等性能,这类介体型生物传感器有效寿命有的可达数月之久[6,7]。
2.3第三代电化学生物传感器随着生物传感技术的不断进步,发展新型简单便携、准确可靠、灵敏耐用的生物传感器已成为当务之急。
第三代生物传感器的研究应运而生,它是以氧化还原蛋白质和酶直接电化学行为为理论基础,以酶与电极之间的直接电子转移为特征的新型生物传感器。
这种传感器无需引入媒介体,与氧及其他电子受体无关,因此固定化相对简单,无外加毒性物质,是当前最理想的生物传感器,也称为第三代无媒介的生物传感器。
这类传感器直接利用酶和蛋白质的直接电化学行为,对于构建第三代生物传感器的酶和蛋白质必须能在电极上表现出直接电子传输性质(即氧化还原活性,符合上述要求的蛋白质和酶通常有过氧化物酶、血红蛋白、肌红蛋白、细胞色素C、葡萄糖氧化酶、氯化血红素等。
若要实现酶和电极之间有效直接的电子传输,必须构建一个合适的薄膜界面,在这个薄膜电极的构建中,材料的选择至关重要。
只有那些生物相容性好且又能对酶和电极之间进行直接电子传输有促进作用的材料才是研究者的首选材料。
这类材料包括某些天然和人造聚合物,表面活性剂,无机和有机溶胶-凝胶,自组装单层和多层膜,双层磷酸脂膜等。
近年来,随着材料科学的发展,材料的种类越来越多,在众多新材料中离子液体和纳米材料为研究者所偏爱。
3当前电化学生物传感器研究热点3.1减少非特异性吸附的新材料开发实现高度的敏感性和特异性蛋白检测的关键就是要防止非特异性蛋白质的吸附。
免疫分析中,非特异的蛋白吸附常常是阻碍高灵敏度和高通量处理的一个重要的因素。
中科院马宏伟课题组研究出解决非特异性吸附的新方法,开发了一种新的固相载体,有望达到“0”非特异吸附。
3.2蛋白质吸附及生物相容性改良特异性蛋白质的有效吸附及保持被吸附生物质的生理活性是生物传感器的关键技术,Linyan Yang等人研究了用羧甲基纤维素,羧甲基β-1,3-葡聚糖及藻酸对聚二甲基硅氧烷(PDMS表面进行改良,结果154··显示多糖修饰的PDMS与天然PDMS相比,能明显改善蛋白质的吸附特性和细胞相容性[10]。
3.3生物相容性材料应用当前,电化学生物传感器的研究仍然以第二代居多,即利用媒介体进行电子传输,通过检测媒介体的电流变化来反映底物浓度的变化。
但由于人造媒介体的缓慢释放所带来的潜在的毒性,限制了其在体检测的可能性。
采用生物相容性好的无毒性新材料制备第三代生物传感器已成为研究热点,其中作为新型材料的纳米材料和室温离子液体的相关研究最为活跃。
4结语当前电化学生物传感器的研究绝大多数还处于基础研究阶段,未来实现传感器的商品化还有许多工作要做。
关乎人类生命与健康的,廉价、微型化、集成化和智能化、便于携带、便于现场或实时性、在线性检测的新型电化学生物传感器的开发是研究者们继续奋斗的目标。
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