仿生催化与生物分子器件

时间:08-03 15:26

随着生命科学特别是分子生物学和临床医学的发展,其研究不仅已从宏观描述进入分子水平,而且开始了对生命起源、癌症成应、遗传突变、药理机制、衰老过程等的研究,有关生物分子的检测与分子间作用机制的研究也就愈显重要。目前,用电化学方法结合谱学手段来模拟研究生物体内的某些重要生化反应,研究仿生界面上的电催化,揭示生物体内的物质代谢和能量转换,发展高灵敏度和高选择性的生化分析方法和生物分子器件的研究,已成为分析化学和生命科学的重要前沿研究领域之一。  仿生催化与生物分子器件 

早在20世纪60年代,生物催化功能就已被用于生物传感器的研制。70年代化学修饰电极的提出并在其后受到的广泛关注,使仿生催化的研究和生物分子器件的研制得到迅速发展。80年代中期,我们的研究工作开始涉及这一领域。到目前为止已发展了多种仿生界面,研制成30余种生物电化学传感器或生物分子器件;多种生化样品的浓度检测限已达10-9mol /L,对于免疫传感器的检测限可达10-13mol /L。研究对象包括蛋白质(如血红蛋白、肌红蛋白、细胞色素 C、铜蓝蛋白等)、酶(如葡萄糖氧化酶、辣根过氧化物酶、葡萄糖脱氢酶、谷氨酸转氨酶、乳酸脱氢酶、苹果酸脱氢酶和乙醇脱氢酶等)、DNA /RNA、抗原/抗体、辅酶(NADH,NAD+, Q0,Q10)、神经递质、维生素、体内代谢产物和其它生物小分子等多种重要生物活性物质及临床标识应子。具体内容如下:   

1.电极材料及其表面功能化   

研究生物物质的电子传递和界面行为并加以测定,自然会遇到生物物质电活性中心难以暴露、电子传输缓慢及电极污染、钝化等基本难题。要解决这些问题,必然涉及电极材料的选择和电极表面功能化。   

我们最初的工作是用电化学方法修饰碳纤维形成仿生微界面,使其对神经递质具有很好的伏安响应。1994年我们首先观察到并证实了裸银电极具有使蛋白质直接电子传递的能力,为此后将银电极用于生物体系的研究奠定了基础。同时,通过对电极表面的分子自组装、衍生、剪裁等功能化修饰,已在 A u、 Pt、 Ag、 Cu、碳纤维、玻碳、石墨、热解石墨和碳网等电极材料表面修饰多种功能分子,实现了三维有序组装,形成具高催化活性、高灵敏度、高选择性的仿生界面。而且,将超分子化学原理用于分子器件的设计,以人工超分子体系所表现的自组性、协同性、应答性来构建功能器件;并将纳米胶体粒子用于表面功能化设计,提供一种以简单方法装配出复杂有序结构的技术路线。据此,已研制出多种性能优良的生物传感器和生物分子电子器件。  仿生催化与生物分子器件  

2.蛋白质仿生界面―――蛋白质(直接)电化学   

发现并证实了血红蛋白(Hb)在裸银电极上的直接电化学;表面活性剂 S DS有利于打开 H b的电荷活性中心,可使 H b在银电极上的测定灵敏度提高二个数量级。利用配位诱导反应即利用 N、 S与银的特殊的结合能力,将吩噻嗪、咪唑、苯并咪唑、巯基苯并咪唑、组氨酸、半胱氨酸、卡托普利等自组装在 A g表面,进一步研究了血红蛋白、肌红蛋白、细胞色素 C等在这些修饰银电极上电子传递行为,为建立新的测试方法奠定基础。   

通过4,6-二甲基-2-巯基吡啶和聚氨基蒽醌、亚甲兰修饰在金带电极和碳纤维电极上分别获得细胞色素 C和 H b的仿生电催化微界面,建立了直接电化学测定方法。   

将肌红蛋白、血红蛋白作为修饰剂直接修饰在电极上,制成对 N O有良好催化作用的高灵敏的修饰电极。   

3.辅酶Ⅰ(NADH)在仿生界面上的电催化   

NADH是300多种脱氢酶的辅酶,据此建立的所谓“基础”传感器可架起仿生的桥梁,快速、准确地检测许多重要酶基分子。但 N ADH在裸电极上的氧化过电位很高,以至干扰很大,构筑仿生界面的目的之一就是降低 N ADH的氧化过电位。

(1)NADH仿生界面   

最初我们以吸附在石墨电极上的染料为电子媒介体,使 N ADH氧化过电位下降500-600 mV,并发展了 N ADH的流动注射分析方法,检测限低至1.0pmol。但吸附型仿生界面的最大缺点是不稳定,为了提高稳定性,我们相继开展了聚合膜和自组装膜仿生界面的研究。   

用现场电化学聚合方法将染料如硫堇、亚甲绿、灿烂甲酚蓝和 p―萘醌磺酸根固定在电极表面,研制成对辅酶工具有良好催化活性的仿生界面。无机聚合膜是一类性能稳定、坚固的修饰材料。在纳米金带电极上电聚合铁氰化镍、铁氰化钴等催化膜,可将 N ADH的氧化过电位降低340 mV,发展成一种新的微型无机膜传感器件。   

将电子传递媒介体自组装、衍生到金或银电极上。这种仿生界面具有比有机聚合物更好的电化学行为和稳定性,使 N ADH氧化过电位降低达600mV之多,NADH的检测限也更低,用途更大;组氨酸修饰银电极能有效催化 N AD+高效还原再生为具有生物活性的 N ADH,这种高效再生体系有望用于生物反应器中。

(2)与 N ADH相关脱氢酶的检测   

将葡萄糖脱氢酶固定在可催化氧化 N ADH的电活性聚甲苯胺蓝膜中,建立了葡萄糖的电分析新方法;利用无机仿生界面对 N ADH氧化的电催化作用,实现了对乳酸脱氢酶活性的测定,提供了纳米级微电极在临床生化分析中应用的实例。提出了谷氨酸转氨酶在 N AD+仿生界面上的电分析方法,为临床肝炎疾病诊断提供了新方法。   

4.核酸仿生界面的构建及其检测   

利用电化学预处理玻碳电极对热变性 D NA的吸附特性,定量检测热变性 D NA,判断 D NA的变性程度。利用吸附态单、双链 D NA与电化学探针亚甲蓝作用差异建立起长链 D NA序列检测方法及对单、双链的识别。将 D NA修饰在 I TO电极表面,研制成测定药物米非思铜传感器。仿生催化与生物分子器件 

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