我國電化學DNA納米生物傳感器和蛋白質(zhì)芯片生物傳感器研制成功

我國電化學DNA納米生物傳感器和蛋白質(zhì)芯片生物傳感器研制成功

近日，我國科研人員在生物傳感器研究方面取得重要成果——中科院力學所和上海應用物理所分別研制成功新型電化學DNA納米生物傳感器和蛋白質(zhì)芯片生物傳感器，其具有靈敏度高、特異性強、檢測時間短等優(yōu)點，研究均達到國際先進水平，在生物醫(yī)學領域顯示出廣泛的應用前景。

在國家自然科學基金委、中國科學院和上海市科委的支持下，中科院上海應用物理所近日研制出一種新型的電化學DNA納米生物傳感器(CDS)，這一生物傳感器具有高靈敏度和高特異性。日前，《美國化學會會志》(《JACS》)在7月號正式刊出該研究成果。

發(fā)展新型DNA檢測方法是后基因組時代的需求，諸如生物安全、人體健康(肝炎、艾滋病等)等領域都需要快速、便捷的DNA或RNA檢測技術。電化學技術具有快速、靈敏、低能耗、易于微型化和集成化等優(yōu)點，被認為是在時效、成本等有較高限定要求的場合實現(xiàn)DNA檢測的首選技術之一。

該電化學DNA納米生物傳感器是在中科院上海應用物理所樊春海研究員的指導下由博士研究生張炯等人研制而成的。其特色是通過對電極界面納米尺度的精細調(diào)控，同時引入金納米粒子進行電化學信號放大，從而顯著提高了DNA檢測的靈敏度。該生物傳感器可在1~2小時內(nèi)快速檢測到約兩萬多個DNA分子，檢測靈敏度達到10飛摩爾/升(10fM)的DNA，超出常規(guī)熒光DNA檢測方法約3個數(shù)量級。研究人員也以一種與乳腺癌相關的BRCA-1基因序列檢測為模型，展示了該傳感器在進行單堿基變異性檢測(即SNP分析)中具備高特異性。

而另一研究成果“蛋白質(zhì)芯片生物傳感器系統(tǒng)”及其實用化樣機，是由中科院力學所國家微重力實驗室靳剛研究員領導的課題組，在中國科學院知識創(chuàng)新工程和國家自然科學基金的資助下經(jīng)過多年努力完成的。該研究將多種蛋白質(zhì)活性微列陣、生物分子特異結(jié)合性，與高分辨率橢偏光學成像技術相結(jié)合，提供了一種新型無標記蛋白質(zhì)分析技術。在7月5日召開的成果鑒定會上，鑒定組專家一致認為，該蛋白質(zhì)芯片生物傳感器系統(tǒng)自動化程度高、系統(tǒng)集成性強，達到國際先進水平。

蛋白質(zhì)芯片生物傳感器系統(tǒng)的特點在于，它使用單一非標記試劑檢測靶分子，能夠更好地保持生物分子的活性，減少非特異信號的影響，提高蛋白質(zhì)分子相互作用檢測的靈敏度，實時、直觀地顯示檢測結(jié)果，并具有鑒別偽信號的功能。它在同一微流道蛋白質(zhì)芯片反應器系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)了蛋白質(zhì)溶液輸運、蛋白質(zhì)芯片的制備和蛋白質(zhì)相互作用，具有48個獨立單元，可實現(xiàn)對多樣本、多指標同時進行檢測，有效減少了檢測時間和降低了樣品消耗。此外，使用該系統(tǒng)進行蛋白質(zhì)樣品的檢測時，除試劑外，幾乎沒有芯片制作成本。

以乙肝五項指標的檢測為例，采用目前臨床酶聯(lián)免疫逐項檢測方法，至少需要1天才能得到結(jié)果，而蛋白質(zhì)芯片檢測系統(tǒng)只需40分鐘，大大提高了檢測效率；傳統(tǒng)檢測方法至少需要幾毫升血液，而新系統(tǒng)采用了微流道蛋白質(zhì)芯片反應器，實現(xiàn)了高靈敏度光學無接觸、無擾動、無標記物的多元分子檢測，只需要幾十微升血液即可得到檢測結(jié)果，顯著降低了樣品的消耗。

由于高通量的優(yōu)勢，該蛋白質(zhì)芯片生物傳感器可應用于蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)譜的檢測、疾病標志物的識別和藥物篩選等領域。目前，已成功用于乙肝五項指標同時檢測、腫瘤標志物檢測、微量抗原抗體檢測、SARS抗體藥物鑒定、病毒檢測及急性心肌梗死診斷標志物檢測等多項實驗，應用前景廣泛。

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生物傳感器技術是近幾十年內(nèi)發(fā)展起來的一種新的傳感器技術，是將生物活性材料（酶、蛋白質(zhì)、DNA、抗體、抗原、生物膜等）與物理化學換能器有機結(jié)合的一門交叉學科，是發(fā)展生物技術必不可少的一種先進的檢測方法與監(jiān)控方法，也是物質(zhì)分子水平的快速、微量分析方法。

生物傳感器較多應用于醫(yī)藥、生物工程、環(huán)境保護、食品、農(nóng)業(yè)、畜牧等與生命科學關系密切的領域。例如，臨床上用免疫傳感器等生物傳感器來檢測體液中的各種化學成分，為醫(yī)生診斷提供依據(jù)；生物工程產(chǎn)業(yè)中用生物傳感器監(jiān)測生物反應器內(nèi)各種物理、化學、生物的參數(shù)變化以便加以控制。

生物傳感器可以按照其感受器中所采用的生命物質(zhì)分為微生物傳感器、免疫傳感器、組織傳感器、細胞傳感器、酶傳感器、DNA傳感器等；也可以按照傳感器器件檢測的原理分為熱敏生物傳感器、場效應管生物傳感器、壓電生物傳感器、光學生物傳感器、聲波道生物傳感器、酶電極生物傳感器、介體生物傳感器等；還可以按照生物敏感物質(zhì)相互作用的類型分為親和型和代謝型兩種生物傳感器。

半導體光電化學型生物傳感器近幾年有哪些研究成果

項目代碼B0502
項目名稱基于光電化學催化的自驅(qū)動型生物傳感器新原理、新方法研究
負責人嚴乙銘
所在單位北京理工大學
批準金額60 萬元
所屬類別面上項目
關鍵詞生物傳感器生物燃料電池二氧化鈦葡萄糖金屬氧化物
中文摘要生物傳感器的研究在臨床診斷、社會安全、和環(huán)境監(jiān)測中具有重要的意義。隨著分析化學和生命科學的快速發(fā)展，以及低碳、環(huán)保經(jīng)濟理念的深入，對發(fā)展設計節(jié)能、綠色的新型生物傳感器提出了新挑戰(zhàn)。本項目擬針對目前采用生物催化劑的生物傳感器，所存在的普遍依賴外部電能輸入，以及靈敏性和選擇性不高等關鍵問題，結(jié)合光電化學最新研究進展，提出并建立自驅(qū)動型生物傳感器的新原理和新方法。擬開展的研究內(nèi)容包括：構筑半導體光催化劑和光敏劑的修飾電極；設計電極界面和電極結(jié)構，研究生物分子的光電化學催化氧化過程和電子轉(zhuǎn)移機理；建立以光電化學信號為傳感的生物分子測定方法；設計并制備用于高靈敏，高選擇性的自驅(qū)動型生物傳感器的電極。我們預期，本項目的開展，不但可以促進電化學生物傳感器領域的發(fā)展，也為分析化學和其他相關學科提供有力的研究方法和手段。
英文摘要
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電化學與生物傳感器的內(nèi)容簡介

本書詳細論述了目前常用的電化學傳感器裝置的原理、設計方法及其在生物醫(yī)學方面的應用；綜述了離子選擇性電極的發(fā)展趨勢、電化學免疫傳感器的發(fā)展、用于糖尿病檢測的現(xiàn)代葡萄糖生物傳感器、基于納米材料（如納米管或納米晶）的生物傳感器、檢測氮的氧化物和過氧化物的生物傳感器以及檢測殺蟲劑的生物傳感器等；內(nèi)容涵蓋電化學傳感器和生物傳感器的所有范圍。
本書取材新穎，內(nèi)容豐富。適用于分析化學、材料化學、生物、醫(yī)學、臨床檢驗、工業(yè)分析、環(huán)境監(jiān)測和農(nóng)業(yè)分析等領域的研究人員使用。

電化學生物傳感器的工作原理

電化學生物傳感器

電化學生物傳感器作為最早問世的—類生物傳感器，主要是采用固體電極作為基礎電極，將生物活性作為分子識別物固定在電極表面，然后通過生物分子間的特異性識別作用，使目標分子捕獲到電極表面，基礎電極將濃度信號轉(zhuǎn)換成電勢，電流，電阻或電容等可測量的電信號作為響應信號，從而實現(xiàn)對目標分析物的定量或者定性分析。

電化學生物傳感器由 生物識別元件，信號轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)分析儀組成：

┈┏　離子選擇電極

　┏　電位型電極　┫

　電化學電極　┫　┗　氧化還原電極

　┃　

　┗　電流型電極　━　氧電極

電位型電極：

離子選擇電極：離子選擇電極是一類對特定的陽離子或陰離子呈選擇性響應的電極，具有快速、靈敏、可靠、價廉等優(yōu)點。在生物醫(yī)學領域常直接用它測定體液中的一些成分（例如H+，K+，Na+，Ca2+等）。

氧化還原電極：氧化還原電極是不同于離子選擇電極的另一類電位型電極。這里指的主要是零類電極。

電流型電極

氧電極：有不少酶特別是各種氧化酶和加氧酶在催化底物反應時要用溶解氧為輔助試劑，反應中所消耗的氧量就用氧電極來測定。此外，在微生物電極、免疫電極等生物傳感器中也常用氧電極作為信號轉(zhuǎn)換器，因此氧電極在生物傳感器中用得很廣。

納米技術在醫(yī)療領域有哪些應用前景？

納米技術可以應用于醫(yī)療領域，提供更加精準、有效的治療手段。以下是一些納米技術在醫(yī)療領域的應用，可以讓人更加健康。體驗更高的醫(yī)療水平，藥物水平。

1. 納米藥物：納米藥物是一種使用納米顆粒作為藥物載體，可以精準地將藥物輸送到病變部位，從而提高藥物的療效，減少副作用。

2. 納米診斷：納米診斷是一種使用納米技術來檢測和診斷疾病的方法，可以提高診斷的準確性和效率。

3. 納米生物傳感器：納米生物傳感器可以監(jiān)測人體內(nèi)的生物分子，如蛋白質(zhì)、DNA等，對于疾病的早期診斷和治療具有重要意義。

4. 納米醫(yī)療器械：納米醫(yī)療器械可以用于手術、治療和修復人體組織，如納米導管、納米支架、納米生物傳遞系統(tǒng)等。

這些納米技術在醫(yī)療領域的應用，可以提高治療效果、減少副作用、提高診斷準確性和效率，從而讓人們更加健康。

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