納米材料在電化學(xué)生物傳感器中的應(yīng)用

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1、專業(yè)分享納米粒子在生物電化學(xué)傳感器中的應(yīng)用賴自成先進(jìn)材料與納米科技學(xué)院13170210014Word可編輯資料專業(yè)分享第一章電化學(xué)生物傳感器概述1.1電化學(xué)生物傳感器的原理與分類目前為止，生物傳感器中研究成果較多的是電化學(xué)生物傳感器。電化學(xué)生物傳感器是以生物活性物質(zhì)為敏感基元，以電化學(xué)電極為信號轉(zhuǎn)換器，以電勢、電流或電容為特征檢測信號的生物傳感器。當(dāng)待測物質(zhì)(底物、輔酶、抗原抗體等)擴(kuò)散進(jìn)入固定化生物敏感層，經(jīng)分子識別，發(fā)生生物化學(xué)反應(yīng)，繼而被相應(yīng)的化學(xué)或物理換能器轉(zhuǎn)換成可定量和處理的電信號，再經(jīng)過二次儀表

2、放大并輸出，便可得到待測物濃度。電化學(xué)生物傳感器根據(jù)分子識別元件的不同，可分為酶電極傳感器、電化學(xué)免疫傳感器、組織電極與細(xì)胞器電極傳感器、電化學(xué)DNA傳感器等;按照換能器的不同可以分為電位型、電流型、電導(dǎo)型和電容型等電化學(xué)生物傳感器。1.2生物組分的固定化要讓生物組分作為傳感器敏感膜使用，必須將具有分子識別能力的生物功能物質(zhì)，如酶、抗原、抗體、細(xì)胞等，包藏或吸附于某種材料，形成一層敏感膜，這被稱為生物組分的固定化。因?yàn)樯锝M分的固定化即使決定著生物傳感器的穩(wěn)定性、選擇性和靈敏度等主要性能，所有選擇合適的方法

3、對生物組分進(jìn)行固定生物傳感器的研究和開發(fā)中具有至關(guān)重要的作用，應(yīng)滿足一下幾個(gè)條件首先固定后的生物識別分一子仍能夠保持很好的活性其次固定化層應(yīng)有良好的穩(wěn)定性與耐受性，且能適應(yīng)多種測試環(huán)境最后是生物膜與轉(zhuǎn)換器必須緊密接觸，這樣有利于信號傳輸和轉(zhuǎn)換。經(jīng)過近幾十年的不斷研究，已經(jīng)建立了多種生物分子固定化方法，目前，被廣泛使用的固定化技術(shù)主要有吸附法、交聯(lián)法、包埋法、共價(jià)鍵合法、組合法和電化學(xué)聚合法等。吸附法是通過物理吸附對生物分子進(jìn)行固定，是一種較為簡單、經(jīng)濟(jì)的方法。而且可供選擇的載體類型相對較多，操作條件溫和，對

4、生物分子活性影響較小，但生物分子與固體表面結(jié)合力較弱，容易導(dǎo)致固定化生物分子的泄漏或脫落，并且生物分子暴露在外，容易受到溫度、、離子強(qiáng)度等環(huán)境因素的影響。交聯(lián)法通常使用雙功能基團(tuán)試劑，在生物分子之間、生物分子與固定材料之間交聯(lián)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而達(dá)到固定化的方法。最長見的交聯(lián)試劑為戊二醛，它能在溫和的條件下與蛋白的自由氨基反應(yīng)，Word可編輯資料專業(yè)分享將蛋白交聯(lián)起來。采用這種方法的局限性是膜的形成條件不易確定，須仔細(xì)控制、溫度、離子強(qiáng)度及反應(yīng)時(shí)間等。包埋法是將生物分子包埋在高分子等材料的三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，形成

5、穩(wěn)定的生物敏感膜。該技術(shù)的特點(diǎn)是可采用溫和的實(shí)驗(yàn)條件將生物分子摻入到高分子膜中，一般不會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，對生物分子活性影響較小膜的孔徑和形狀可控，包埋的生物分子不易發(fā)生泄漏，可固定高濃度的生物分子。不是目前使用比較多的生物分子固定化方法。共價(jià)鍵合法使生物分子通過共價(jià)鍵與固體表面結(jié)合而固定的一種方法。這種方法一般要求在低溫、低離子強(qiáng)度和生理?xiàng)l件下進(jìn)行，并常加入底物以防止生物分子的活性部位與固體表面發(fā)生鍵合。當(dāng)想固體如電極表面共價(jià)鍵合生物組分時(shí)，需考慮很多因素。這樣的過程通常包括三個(gè)步驟基底表面活化、生物組分的偶

6、聯(lián)及鍵合疏松的生物分子的去除。組合法是生物組分與基底材料簡單混合以制備固定化生物膜的一種方法。這種方法制作簡單，基底表面可更新，缺點(diǎn)是表面不均勻、重現(xiàn)性差，生物組分容易泄漏，且生物分子用量大，不易微型化等。電化學(xué)聚合法使用電化學(xué)聚合法制備生物敏感膜的方法，因?yàn)橐玫诫娀瘜W(xué)方法，所以通常是在電極表面進(jìn)行。與傳統(tǒng)的固定化方法相比，有以下優(yōu)點(diǎn)簡單，電化學(xué)聚合的固定化可一步完成并直接固定在電極表面聚合膜厚度和生物分子的固定量容易被控制和調(diào)節(jié)，從而制得重現(xiàn)性好的生物敏感膜而且有些聚合物膜具有選擇性透過某些物質(zhì)的功能，

7、可起到降低干擾、增加選擇性的作用。1.3電化學(xué)生物傳感器的發(fā)展在電化學(xué)生物傳感器中，研究和應(yīng)用最多的是酶傳感器，這種將酶作為電極結(jié)合試劑的概念是由Clark和Lyons建立的，從這開創(chuàng)性的工作之后，在酶電極和其它電化學(xué)生物傳感器方面均有大量的工作發(fā)表，涉及到幾何學(xué)、固定化方法、電極的構(gòu)象、膜的組成等等。以酶電極為例，根據(jù)酶與電極之間電子的轉(zhuǎn)移機(jī)理，大致可將電化學(xué)生物傳感器的發(fā)展分為三代：第一代酶電極是建立在氧還原基礎(chǔ)上，以葡萄糖氧化酶催化葡萄糖為例：Word可編輯資料專業(yè)分享隨著O2濃度減小，H2O2濃度增

8、大，通過檢測產(chǎn)物H2O2濃度的變化或者氧的消耗量來測定底物濃度。該方法存在著一些明顯的缺點(diǎn)如溶解氧的變化可能引起電極相應(yīng)的波動而且由于氧的溶解度有限，當(dāng)溶解氧貧乏時(shí)，相應(yīng)電流明顯下降，從而影響檢出限同時(shí)電極的響應(yīng)性能受溶液的值及溫度影響很大等。為了改進(jìn)第一代酶電極的缺點(diǎn)，便誕生了第二代酶電極即介體型酶電極。由于酶一般都是生物大分子，它們的氧化還原活性中心往往被包埋在蛋白質(zhì)分子里面，而電子傳遞速率與電子給體一受體間