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生命化学领域的电化学研究进展

在生命过程中,人和动物的代谢作用及各种生理现象大都与电流和电势的变化密切相关,并具体表现为无论是能量转换、神经传导、光合作用、呼吸过程,还是基因遗传、疾病防治、药物体内释放等都伴随着电子的转移。作为一门研究电子(或半导体材料)—离子以及离子—离子导体界面性质变化过程与机理的科学,现代电化学已把生命过程中的电化学反应作为其重要的研究内容。同时,生命科学也把电化学方法作为重要的实验手段,尤其是伴随着近期两个学科在一些相关基础理论和实验方法方面所取得的进步,把两者结合起来进行研究更显出其优势。本文将对包括生物电化学传感器、生物分子和生物膜等生命科学和电化学相结合领域的研究现状及进展进行归纳总结。
1电化学传感器　
　　　生物电化学传感器以生物材料作为敏感元件,电极作为转化元件,电势或电流等作为特征检测信号。其中的生物材料包括了酶、抗原、抗体、激素等生物体成分和细胞、细胞器、组织等生物体本身。由于生物材料作为敏感元件使其具有高度选择性,这种传感器已成为一种最直接的生命反应过程检测方法;且控制速度快、灵敏度高和使用简便并且不破坏样品等特点,则又使其特别适用于生物溶液和活体组织中某组分的连续监测。根据所用生物材料的不同,生物电化学传感器可分为酶传感器、免疫传感器、电化学ＤＮＡ生物传感器以及微生物传感器、动植物组织传感器等,其中,前三者尤其重视,而制备这些传感器并在生物体系中应用则是其研究的中心。
1.1 酶传感器
　　酶传感器的反应原理是传感器的敏感膜中包含有固定化的酶,当酶与被测定的无机物质或有机物质反应时,反应产物被传感器响应。目前已经报道的酶传感器有几百种,已商品化的有10几种,如ＧＯＤ(葡萄糖氧化酶)电极传感器、Ｌ-乳酸单氧化酶电极传感器、尿酸酶电极传感器、胆固醇传感器、生化需氧量(ＢＯＤ)测定仪等。酶传感器目前投入使用较少,是因为自然界已经鉴定的2500多种酶大都不稳定,且难以提纯和固定,使其商品化受到限制。为此,选择稳定的酶并采用合适的酶固定化方法,以及对相关酶电极反应过程进行研究已成为酶电极研究的重点。
　　近期,ＩｓａｏＫａｒｕｂｅ等总结了酶传感器在环境分析中的应用,并介绍了目前酶固定化研究的状况。ＪｕｏｚａｓＫｕｌｙｓ研制了一种基于ＣＰＥｓ的葡萄糖传感器,在浓度(1.5～50)×10-3ｍｏｌ/Ｌ的范围内有良好的线性关系,并且有很好的稳定性。穆绍林等用电化学方法将黄嘌呤氧化酶固定在聚苯胺中制成的聚苯胺黄嘌呤氧化酶电极,具有快速的生物电化学响应和较高的稳定性。阚锦晴等研制了一种新的尿酸酶电极,用聚苯乙烯石蜡体系来制备涂膜聚苯胺尿酸酶电极,该方法简单,所制得的电极有较好的生物电化学活性。董飒英等做了葡萄糖球菌肠毒素Ｃ1(ＳＥＣ1)生物传感器的制备和电化学机理的研究,以期确定最佳制备条件。ＣｈｅｎＬＱ等研究了改进的葡萄糖氧化酶(ＧＯＤ)传感器,添加聚赖氨酸等改进酶与电极间的电子传递。信号明显,响应范围可以达到45×10-3•ｍｏｌ/Ｌ。Ｖ.Ｇ.Ｇａｖａｌａｓ等利用多孔碳电极有效改进酶传感器的稳定性,对酶的活性无影响,并可以增加酶的吸附量。Ｅｎｒｉｑｕｅ等研制了一种新型的微型酶传感器,用于检测中枢神经嘌呤的释放,响应快,稳定性好,检测灵敏度达200ｍＡ/(ｍｏｌ/Ｌ•ｃｍ2)。1.2　免疫传感器
　　新近出现的免疫传感器是利用抗体对抗原的结合和识别功能将抗体或抗原与电极组合而成的检测装置。利用抗体和抗原的特效性结合,检测膜上生成抗体和抗原的复合物的电位改变,从而获得不同的响应。目前已经制成的免疫电极有:诊断原发性肝癌的甲胎蛋白(ＡＦＰ或ＡＰＦ)免疫传感器、测定人血清蛋白(ＨＳＡ)的免疫传感器、胰岛素免疫传感器、诊断早期妊娠的ＨＣＧ免疫传感器以及ＩＧＧ免疫传感器、胰岛素免疫传感器等。
　　近期,Ｊｏｒｄｉ等利用缩氨酸放大β-牛乳糖酶免疫传感器对抗体的响应信号。该研究可以用于口蹄疫的临床诊断。董飒英等在研究ＨＣＧ免疫传感器响应的基础上,利用尿素作为解离剂,探讨了生物电极的重复使用和酶活性的损失问题。周兰香等将待测兔抗原用丝素蛋白溶液固定到石墨电极表面,选用山羊抗兔ＩｇＧ—ＨＲＰ抗体与其选择性结合,采用直接电位法检测兔抗原的浓度,检测范围宽,响应时间短,最低检测浓度为1.0×10-10ｍｏｌ/Ｌ。彭图治等研制的一种检测乳腺癌抗原(ＣＡｌ5—3)的新型免疫传感器,不受其它抗原干扰,灵敏度高,测定范围为15～240Ｕ/ｍＬ,线性关系良好。陈瑞川等研制的聚间苯二胺膜乙肝免疫电极响应时间仅为8ｍｉｎ,线性范围为0.125～0.32μｇ/ｍＬＨＢｓＡｇ,具有良好的重现性和选择性。
　　Ｂ.Ｂ.Ｄｚａｎｔｉｅｖ等研制了一种免疫传感器,用于检测杀虫剂2,4-Ｄ和2,4,5-Ｔ,检测限达40～50ｎｇ/ｍＬ,响应时间短。ＤｍｉｔｒｉＩｖｎｉｔｓｋｉ等讨论了免疫传感器和选择性酶传感器在病菌检测的临床诊断学、血样分析和环境检测等方面的应用和前景。新型免疫传感器中,标记免疫电极可以大大提高免疫电极的灵敏度;催化抗体传感器,则兼有免疫传感器和生物催化传感器的双重功能,使免疫传感器成为可重复使用的可逆性传感器。
1.3　电化学ＤＮＡ生物传感器
　　电化学ＤＮＡ生物传感器是近几年发展起来的,与光学ＤＮＡ传感器和压电ＤＮＡ传感器一样是一种全新的ＤＮＡ检测技术。它的原理是利用固定在电极表面的某一特定序列的ｓｓＤＮＡ与溶液中的同源序列的特异识别作用(分子杂交)形成双链ｄｓＤＮＡ,导致杂交前后电极表面结构发生改变,同时借助一能识别ｓｓＤＮＡ与ｄｓＤＮＡ的杂交指示剂的电流响应信号的改变来达到检测基因的目的。电化学ＤＮＡ生物传感器分子识别能力强,无放射性标记,对人体无危害,检测速度快且操作简单,并可与流动注射技术相结合,进行实时在线检测和活体检测。目前ＤＮＡ生物传感器应用于基因分析和药物分析,涉及做特定基因的检测、ＤＮＡ的损伤分析以及ＤＮＡ结合药物的检测和新型药物分子的设计等研究工作。ＹｉＬｕ等探讨了ＤＮＡ作为生物传感器材料的优越性,并研究了ＤＮＡ传感器对某些金属离子响应的高灵敏度和高选择性。
　　目前,ＤＮＡ传感器的电化学研究主要集中在:①与酶、免疫传感器结合起来进行研究,以扩大其实用性,进一步拓展ＤＮＡ传感器的应用范围;②适合于高灵敏度检测的高灵敏度、高选择性杂交指示剂的筛选研究,主要为选用双嵌合剂和三嵌合剂来改进目前使用的单嵌合剂;③寻求单链ＤＮＡ在电极表面固定化的新方法以优化电极结构;④在临床疾病基因诊断上和药物分析中的应用研究,尤其是抗癌药物在ＤＮＡ修饰电极上的电化学机理研究,为抗癌药物的筛选提供依据。