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生物传感方法与器件研究中的表界面化学研究

发布人:  发布时间:2017-06-22  点击:[]

生命体系是多种物理化学过程形成的复杂体系,要准确获取生命体系的相关生物化学信息,必须依赖高灵敏度、高特异性生物传感学方法和器件的研究以及相关表界面化学的研究。研究高灵敏度、高特异性的生物传感学新方法和器件已成为生命科学和现代分析化学研究的前沿,而且具有挑战性的研究课题之一。

1. 生物传感学方法与器件的研究

   生物传感器是将生物分子识别单元(如酶、抗体或单链DNA)固定在信号转换元件(电极、光纤等)表面组成的功能器件。生物传感学方法的研究是构建新型生物传感器的基础。我们曾研究了酶、抗体、单链DNA和核酸识体等生物分子识别物质和荧光、化学发光、电化学发光和电化学等检测技术。    

   在光纤化学和生物传感器研究方面,我们曾对光纤化学和生物传感器的理论进行了系统的研究,研制了一系列可用于生命科学研究和环境分析的光纤化学和生物传感器,如基于双波长技术和荧光能量转移的荧光传感器、基于选择性中性载体和离子对萃取原理的传感器、基于聚合物膨胀的单光纤传感器、基于电位敏感染料和脂质技术的传感器、二元和三元体系磷光传感器、流动式消耗型化学发光传感器、细胞免疫传感器等。在电化学生物传感器研究方面,成功研制了一系列葡萄糖生物传感器如毛细进样一次性生物传感器,流通式印制葡萄糖电化学生物传感器,预氧化膜抗干扰葡萄糖传感器和双安培法印制电化学葡萄糖传感器。研究了氧化还原蛋白如血红蛋白,辣根过氧化物酶,葡萄糖氧化酶的直接电子转移行为,成功研制了碳纳米管组装电极上基于血红蛋白直接电子转移的过氧化氢传感器。在电化学发光生物传感研究方面,完成了电化学发光物标记小分子半抗原和小分子电化学发光标记物及小分子半抗原标记在载体大分子蛋白质上两种电化学发光标记新方法的研究,建立了两种地高辛抗体和地高辛均相电化学发光免疫分析新方法。

   近几年,我们重点研究了纳米材料组装电化学生物传感器和电化学发光生物传感器。提出了纳米材料提高生物传感灵敏度的三种作用:a. 以纳米材料为电极表面修饰材料,增强电化学/电化学发光标记物的电化学/电化学发光活性、增加电化学/电化学发光标记物的载体量;b. 以纳米材料为探针载体,提高标记率;c.以纳米材料作为检测信号产生物质。我们提出了基于金纳米粒子作为DNA探针和钌联吡啶载体的电化学发光DNA杂交检测新方法,建立了高灵敏度检测DNA的电化学发光分析方法。以碳纳米管负载钌联吡啶衍生物与具有分子识别功能的单链DNA组成信号探针,以含有巯基修饰的寡聚核苷酸片段为捕获探针,建立了超高灵敏度测定目标单链DNA的新方法。与非碳纳米管负载的信号探针相比,以碳纳米管负载电化学发光信号探针其检测信号提高约100倍。建立了导电高分子聚合碳纳米管包埋探针的DNA检测新方法;将负载大量银纳米的碳纳米管作为电活性物质标记DNA,利用银的电化学信号,建立了超高灵敏度测定DNA的新方法。2006年以来,我们开始研究以适配体为分子识别物质的电化学发光生物传感器,以钌联吡啶衍生物为电化学发光标记物,分别标记可卡因适配体、凝血酶适配体和发卡式(hairpin)DNA,建立测定小分子可卡因、大分子凝血酶和特定序列的目标单链DNA的电化学发光传感器。

   目前,在两项国家自然科学基金的资助下,我们正在开展微阵电化学生物传感器的研制。我们将开展非标记衍生物传感方法学和器件的研究以及表面等离子体共振单核苷酸多态性分型的研究。

2.  生物传感器件研究中表界面化学的研究

   生物传感器件研究中表界面化学的研究属基础性研究,对生物传感界面构建原理、传感机理和响应特性以及应用研究均具有重要意义。我们侧重研究了生物传感表面的化学组装方法、电子转移机理、分子识别机理和特性等。我们曾建立多类光纤传感器的响应理论模式,特别是关于各种金属离子光纤传感器的响应理论;阐明传感膜的分子识别和传感机制,研究了多种传感膜基质的动力学,实现了多种分子识别物质在多种膜基质上的固定化。研究了酶、抗体或单链DNA等分子识别物质在多种贵金属电极、碳电极和纳米材料有序组装方法和相关的表界面化学问题。研究了葡萄糖氧化还原酶、单链DNA和双螺旋DNA以及电化学活性物质、电化学发光标记物在贵金属电极、玻碳电极、碳纳米管电极和多种化学修饰电极上的电子转移行为和反应机理,分子识别特性、生物大分子间及其与小分子间的相互作用等。此外,还研究了具有核壳结构的ZnS半导体纳米粒子的电化学发光行为,探讨了其电化学发光机理。用表面等离子体共振技术、电化学扫描显微镜、原子力显微镜等研究生物传感界面研究中的表界面化学基础问题,对传感机理获得更深的认识,揭示一些规律,解决生物传感表面稳定性差等问题。