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电化学技术与生物分析 （华中科技大学 应用化学1002班 摘 要： 随着生物及药物分析领域的不断扩展，发展高灵敏度及高选择性的分析手段以解决复杂样品体系中待测物的分析测试问题是十分迫切的需求。本文综述了电化学技术应用于生物分析的发展状况，并对其在生物药物分析中的应用情况进行了总结。 关键词：电化学技术； 扫描电化学显微镜； 生物分析传感器； 生物分析 电化学是研究两类导体形成的带电界面现象及其上所发生的变化的科学。如今已形成了生物电化学分支许多生命现象如肌肉运动、神经的信息传递都涉及到电化学机理应用电化学原理发展起来的各种电化学分析法已成为实验室和工业监控的不可缺少的手段 SECM 实验装置如图 1 所示，由双恒电位仪、压电控制仪、压电位置仪、电解池和计算机等部分组成。 基底可以是各种材料的电极，也可以是固定有生物物质和细胞的绝缘基底，有时基底也作为第二工作电极。探头电极为工作电极，用作探头的电极有超微电极( UME) 和微纳米管等，参比电极通常为饱和甘汞电极或 Ag/AgCl 电极，对电极为铂电极。它以电化学原理为基础，通过测量探针上发生的电化学反应所产生的法拉第电流来研究基底形貌或基底反应过程动力学参数等信息，其电流大小受界面电子转移动力学过程和溶液中传质过程的控制。 1.2 SECM 在生物分析中的应用 SECM 在生物体系中最初的研究涉及观察叶片组织形貌、酶微结构、抗体蛋白微结构的形成与表征，后来逐渐发展到对单个生物分子形貌、单细胞形貌与药理作用研究和对生物体系物质转移的研究等。 细胞分析包括形貌分析和细胞成像。如图2 利用二茂铁甲醇的氧化和溶解氧的还原对人宫颈癌细胞进行了成像。在他们的研究中，宫颈癌细胞对溶解氧的还原电流表现出负反馈作用，而对二茂铁甲醇的氧化电流却表现出正反馈作用。用 SECM 探针渐进曲线来研究银纳米粒子与 宫颈癌细胞间的相互作用，并用线性扫描法实现细胞成像。对于 FeCN3 －6来说，细胞膜渗透性的变化和细胞形貌的变化会影响其 SECM 反馈电流信号。加入银纳米粒子以后，宫颈癌细胞几乎完全丧失了渗透性，细胞的高度也有所降低。随着所加入的银纳米粒子浓度的增大，Ag 和 IrCl62 － / 3 －反应的动力学常数显著增大。利用这种方法，实现了对吸附于细胞膜上的银纳米粒的量、细胞膜的渗透性和细胞形貌的同时检测。 SECM 的反馈模式或产生 / 收集模式不仅能快速灵敏地测定固定化酶反应的动力学常数，而且能直接获得酶催化活性分布的形貌图，因此，利用 SECM 研究酶的催化反应活性得到人们的关注。2007年Pieree 等用反馈模式研究了微米厚度孔层中的葡萄糖氧化酶( GOx) 催化 β-D-葡萄糖氧化为 D-葡萄糖内酯的反应。溶液中的还原型介质在探头上发生氧化反应产生氧化型介质，此反应受扩散控制。只要有足量的葡萄糖存在，此氧化型介质就会在固定于基底表面的 GOx催化下与葡萄糖反应分别生成还原型介质和 D-葡萄糖内酯。此时酶与介质间的动力学为零级反应。按此机理求得了几种介质存在下的表观异相反应速率常数。他们又用类似的反馈模式测定了聚碳酸酯膜孔中固定的 GOx和鼠肝脏线粒体膜上的 NADH-细胞色素 C 还原酶。如此证明，SECM 是研究酶点上酶的异相催化反应动力学的一种简便、有效的方法。 扫描电化学显微镜还可以应用与DNA 分析、抗体抗原分析及微修饰等。有兴趣的读者可以查阅相关文献。人们已经通过将 SECM 和其他技术联用来研究更为复杂的体系，例如，生物体系、人工和生物膜、检测单分子以及单细胞等。可以预见SECM 研究范围不断拓宽，并必将成为未来电化学研究的重要技术之一。 2 各种电化学传感器与生物分析 生物传感器是一类新型的传感器，利用生物物质( 如酶、蛋白质、核酸、抗体、抗原、生物膜、微生物、细胞等) 作为识别元件，将特异性的生化反应转换成可识别的信号，从而能够进行生命物质和化学物质检测和监控的器件。生物传感器是具有高度选择性的检测器，依据生物活性物质(如酶、抗体、核酸、细胞等)作为生物敏感基元，对被测的某种目标物具有特定的选择性亲和力，根据亲和力是否存在及大小，来判定特定物质是否存在及其浓度大小。 2.1 纳米电化学传感器与生物分析 生物传感器的内部结构一般由两大部分组成，即生物受体和信息变换。信息变换部分即信号检测方法电化学生物传感在提高选择性和灵敏度方面具有独特的优势。由于纳米材料的独特性质，如尺寸效应、量子效应、表面效应和界面效应，特别是新型纳米生物材料和纳米复合材料由于具有很强的吸附能力、良好的定向能力和生物兼容