纳米材料在电化学生物传感器中的应用教程.doc

纳米粒子在生物电化学传感器中的应用 赖自成 先进材料与纳米科技学院 第一章 电化学生物传感器概述 11 电化学生物传感器的原理与分类 目前为止，生物传感器中研究成果较多的是电化学生物传感器。电化学生物传感器是以生物活性物质为敏感基元，以电化学电极为信号转换器，以电势、电流或电容为特征检测信号的生物传感器。当待测物质(底物、辅酶、抗原抗体等)扩散进入固定化生物敏感层，经分子识别，发生生物化学反应，继而被相应的化学或物理换能器转换成可定量和处理的电信号，再经过二次仪表放大并输出，便可得到待测物浓度。电化学生物传感器根据分子识别元件的不同，可分为酶电极传感器、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;按照换能器的不同可以分为电位型、电流型、电导型和电容型等电化学生物传感器。 12 生物组分的固定化 要让生物组分作为传感器敏感膜使用，必须将具有分子识别能力的生物功能物质，如酶、抗原、抗体、细胞等，包藏或吸附于某种材料，形成一层敏感膜，这被称为生物组分的固定化。因为生物组分的固定化即使决定着生物传感器的稳定性、选择性和灵敏度等主要性能，所有选择合适的方法对生物组分进行固定生物传感器的研究和开发中具有至关重要的作用，应满足一下几个条件首先固定后的生物识别分一子仍能够保持很好的活性其次固定化层应有良好的稳定性与耐受性，且能适应多种测试环境最后是生物膜与转换器必须紧密接触，这样有利于信号传输和转换。经过近几十年的不断研究，已经建立了多种生物分子固定化方法，目前，被广泛使用的固定化技术主要有吸附法、交联法、包埋法、共价键合法、组合法和电化学聚合法等。 吸附法是通过物理吸附对生物分子进行固定，是一种较为简单、经济的方法。而且可供选择的载体类型相对较多，操作条件温和，对生物分子活性影响较小，但生物分子与固体表面结合力较弱，容易导致固定化生物分子的泄漏或脱落，并且生物分子暴露在外，容易受到温度、、离子强度等环境因素的影响。 交联法通常使用双功能基团试剂，在生物分子之间、生物分子与固定材料之间交联形成网状结构而达到固定化的方法。最长见的交联试剂为戊二醛，它能在温和的条件下与蛋白的自由氨基反应，将蛋白交联起来。采用这种方法的局限性是膜的形成条件不易确定，须仔细控制、温度、离子强度及反应时间等。 包埋法是将生物分子包埋在高分子等材料的三维空间网状结构中，形成稳定的生物敏感膜。该技术的特点是可采用温和的实验条件将生物分子掺入到高分子膜中，一般不会发生化学反应，对生物分子活性影响较小膜的孔径和形状可控，包埋的生物分子不易发生泄漏，可固定高浓度的生物分子。不是目前使用比较多的生物分子固定化方法。 共价键合法使生物分子通过共价键与固体表面结合而固定的一种方法。这种方法一般要求在低温、低离子强度和生理条件下进行，并常加入底物以防止生物分子的活性部位与固体表面发生键合。当想固体如电极表面共价键合生物组分时，需考虑很多因素。这样的过程通常包括三个步骤基底表面活化、生物组分的偶联及键合疏松的生物分子的去除。 组合法是生物组分与基底材料简单混合以制备固定化生物膜的一种方法。这种方法制作简单，基底表面可更新，缺点是表面不均匀、重现性差，生物组分容易泄漏，且生物分子用量大，不易微型化等。 电化学聚合法使用电化学聚合法制备生物敏感膜的方法，因为要用到电化学方法，所以通常是在电极表面进行。与传统的固定化方法相比，有以下优点简单，电化学聚合的固定化可一步完成并直接固定在电极表面聚合膜厚度和生物分子的固定量 容易被控制和调节，从而制得重现性好的生物敏感膜而且有些聚合物膜具有选择性透过某些物质的功能，可起到降低干扰、增加选择性的作用。 1.3电化学生物传感器的发展 在电化学生物传感器中，研究和应用最多的是酶传感器，这种将酶作为电极结合试剂的概念是由Clark和Lyons建立的，从这开创性的工作之后，在酶电极和其它电化学生物传感器方面均有大量的工作发表， 涉及到几何学、固定化方法、电极的构象、膜的组成等等。以酶电极为例，根据酶与电极之间电子的转移机理， 大致可将电化学生物传感器的发展分为三代： 第一代酶电极是建立在氧还原基础上，以葡萄糖氧化酶催化葡萄糖为例： 随着O2浓度减小，H2O2浓度增大，通过检测产物H2O2浓度的变化或者氧的消耗量来测定底物浓度。该方法存在着一些明显的缺点如溶解氧的变化可能引起电极相应的波动而且由于氧的溶解度有限，当溶解氧贫乏时，相应电流明显下降，从而影响检出限同时电极的响应性能受溶液的值及温度影响很大等。 为了改进第一代酶电极的缺点，便诞生了第二代酶电极即介体型酶电极。由于酶一般都是生物大分子，它们的氧化还原活性中心往往被包埋在蛋白质分子里面，而电子传递速率与电