我国电化学DNA纳米生物传感器和蛋白质芯片生物传感器研制成功

我国电化学DNA纳米生物传感器和蛋白质芯片生物传感器研制成功

近日，我国科研人员在生物传感器研究方面取得重要成果——中科院力学所和上海应用物理所分别研制成功新型电化学DNA纳米生物传感器和蛋白质芯片生物传感器，其具有灵敏度高、特异性强、检测时间短等优点，研究均达到国际先进水平，在生物医学领域显示出广泛的应用前景。

在国家自然科学基金委、中国科学院和上海市科委的支持下，中科院上海应用物理所近日研制出一种新型的电化学DNA纳米生物传感器(CDS)，这一生物传感器具有高灵敏度和高特异性。日前，《美国化学会会志》(《JACS》)在7月号正式刊出该研究成果。

发展新型DNA检测方法是后基因组时代的需求，诸如生物安全、人体健康(肝炎、艾滋病等)等领域都需要快速、便捷的DNA或RNA检测技术。电化学技术具有快速、灵敏、低能耗、易于微型化和集成化等优点，被认为是在时效、成本等有较高限定要求的场合实现DNA检测的首选技术之一。

该电化学DNA纳米生物传感器是在中科院上海应用物理所樊春海研究员的指导下由博士研究生张炯等人研制而成的。其特色是通过对电极界面纳米尺度的精细调控，同时引入金纳米粒子进行电化学信号放大，从而显著提高了DNA检测的灵敏度。该生物传感器可在1~2小时内快速检测到约两万多个DNA分子，检测灵敏度达到10飞摩尔/升(10fM)的DNA，超出常规荧光DNA检测方法约3个数量级。研究人员也以一种与乳腺癌相关的BRCA-1基因序列检测为模型，展示了该传感器在进行单碱基变异性检测(即SNP分析)中具备高特异性。

而另一研究成果“蛋白质芯片生物传感器系统”及其实用化样机，是由中科院力学所国家微重力实验室靳刚研究员领导的课题组，在中国科学院知识创新工程和国家自然科学基金的资助下经过多年努力完成的。该研究将多种蛋白质活性微列阵、生物分子特异结合性，与高分辨率椭偏光学成像技术相结合，提供了一种新型无标记蛋白质分析技术。在7月5日召开的成果鉴定会上，鉴定组专家一致认为，该蛋白质芯片生物传感器系统自动化程度高、系统集成性强，达到国际先进水平。

蛋白质芯片生物传感器系统的特点在于，它使用单一非标记试剂检测靶分子，能够更好地保持生物分子的活性，减少非特异信号的影响，提高蛋白质分子相互作用检测的灵敏度，实时、直观地显示检测结果，并具有鉴别伪信号的功能。它在同一微流道蛋白质芯片反应器系统内实现了蛋白质溶液输运、蛋白质芯片的制备和蛋白质相互作用，具有48个独立单元，可实现对多样本、多指标同时进行检测，有效减少了检测时间和降低了样品消耗。此外，使用该系统进行蛋白质样品的检测时，除试剂外，几乎没有芯片制作成本。

以乙肝五项指标的检测为例，采用目前临床酶联免疫逐项检测方法，至少需要1天才能得到结果，而蛋白质芯片检测系统只需40分钟，大大提高了检测效率；传统检测方法至少需要几毫升血液，而新系统采用了微流道蛋白质芯片反应器，实现了高灵敏度光学无接触、无扰动、无标记物的多元分子检测，只需要几十微升血液即可得到检测结果，显著降低了样品的消耗。

由于高通量的优势，该蛋白质芯片生物传感器可应用于蛋白质和蛋白质谱的检测、疾病标志物的识别和药物筛选等领域。目前，已成功用于乙肝五项指标同时检测、肿瘤标志物检测、微量抗原抗体检测、SARS抗体药物鉴定、病毒检测及急性心肌梗死诊断标志物检测等多项实验，应用前景广泛。

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生物传感器技术是近几十年内发展起来的一种新的传感器技术，是将生物活性材料（酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜等）与物理化学换能器有机结合的一门交叉学科，是发展生物技术必不可少的一种先进的检测方法与监控方法，也是物质分子水平的快速、微量分析方法。

生物传感器较多应用于医药、生物工程、环境保护、食品、农业、畜牧等与生命科学关系密切的领域。例如，临床上用免疫传感器等生物传感器来检测体液中的各种化学成分，为医生诊断提供依据；生物工程产业中用生物传感器监测生物反应器内各种物理、化学、生物的参数变化以便加以控制。

生物传感器可以按照其感受器中所采用的生命物质分为微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、细胞传感器、酶传感器、DNA传感器等；也可以按照传感器器件检测的原理分为热敏生物传感器、场效应管生物传感器、压电生物传感器、光学生物传感器、声波道生物传感器、酶电极生物传感器、介体生物传感器等；还可以按照生物敏感物质相互作用的类型分为亲和型和代谢型两种生物传感器。

半导体光电化学型生物传感器近几年有哪些研究成果

项目代码B0502
项目名称基于光电化学催化的自驱动型生物传感器新原理、新方法研究
负责人严乙铭
所在单位北京理工大学
批准金额60 万元
所属类别面上项目
关键词生物传感器生物燃料电池二氧化钛葡萄糖金属氧化物
中文摘要生物传感器的研究在临床诊断、社会安全、和环境监测中具有重要的意义。随着分析化学和生命科学的快速发展，以及低碳、环保经济理念的深入，对发展设计节能、绿色的新型生物传感器提出了新挑战。本项目拟针对目前采用生物催化剂的生物传感器，所存在的普遍依赖外部电能输入，以及灵敏性和选择性不高等关键问题，结合光电化学最新研究进展，提出并建立自驱动型生物传感器的新原理和新方法。拟开展的研究内容包括：构筑半导体光催化剂和光敏剂的修饰电极；设计电极界面和电极结构，研究生物分子的光电化学催化氧化过程和电子转移机理；建立以光电化学信号为传感的生物分子测定方法；设计并制备用于高灵敏，高选择性的自驱动型生物传感器的电极。我们预期，本项目的开展，不但可以促进电化学生物传感器领域的发展，也为分析化学和其他相关学科提供有力的研究方法和手段。
英文摘要
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电化学与生物传感器的内容简介

本书详细论述了目前常用的电化学传感器装置的原理、设计方法及其在生物医学方面的应用；综述了离子选择性电极的发展趋势、电化学免疫传感器的发展、用于糖尿病检测的现代葡萄糖生物传感器、基于纳米材料（如纳米管或纳米晶）的生物传感器、检测氮的氧化物和过氧化物的生物传感器以及检测杀虫剂的生物传感器等；内容涵盖电化学传感器和生物传感器的所有范围。
本书取材新颖，内容丰富。适用于分析化学、材料化学、生物、医学、临床检验、工业分析、环境监测和农业分析等领域的研究人员使用。

电化学生物传感器的工作原理

电化学生物传感器

电化学生物传感器作为最早问世的—类生物传感器，主要是采用固体电极作为基础电极，将生物活性作为分子识别物固定在电极表面，然后通过生物分子间的特异性识别作用，使目标分子捕获到电极表面，基础电极将浓度信号转换成电势，电流，电阻或电容等可测量的电信号作为响应信号，从而实现对目标分析物的定量或者定性分析。

电化学生物传感器由 生物识别元件，信号转换器，数据分析仪组成：

┈┏　离子选择电极

　┏　电位型电极　┫

　电化学电极　┫　┗　氧化还原电极

　┃　

　┗　电流型电极　━　氧电极

电位型电极：

离子选择电极：离子选择电极是一类对特定的阳离子或阴离子呈选择性响应的电极，具有快速、灵敏、可靠、价廉等优点。在生物医学领域常直接用它测定体液中的一些成分（例如H+，K+，Na+，Ca2+等）。

氧化还原电极：氧化还原电极是不同于离子选择电极的另一类电位型电极。这里指的主要是零类电极。

电流型电极

氧电极：有不少酶特别是各种氧化酶和加氧酶在催化底物反应时要用溶解氧为辅助试剂，反应中所消耗的氧量就用氧电极来测定。此外，在微生物电极、免疫电极等生物传感器中也常用氧电极作为信号转换器，因此氧电极在生物传感器中用得很广。

纳米技术在医疗领域有哪些应用前景？

纳米技术可以应用于医疗领域，提供更加精准、有效的治疗手段。以下是一些纳米技术在医疗领域的应用，可以让人更加健康。体验更高的医疗水平，药物水平。

1. 纳米药物：纳米药物是一种使用纳米颗粒作为药物载体，可以精准地将药物输送到病变部位，从而提高药物的疗效，减少副作用。

2. 纳米诊断：纳米诊断是一种使用纳米技术来检测和诊断疾病的方法，可以提高诊断的准确性和效率。

3. 纳米生物传感器：纳米生物传感器可以监测人体内的生物分子，如蛋白质、DNA等，对于疾病的早期诊断和治疗具有重要意义。

4. 纳米医疗器械：纳米医疗器械可以用于手术、治疗和修复人体组织，如纳米导管、纳米支架、纳米生物传递系统等。

这些纳米技术在医疗领域的应用，可以提高治疗效果、减少副作用、提高诊断准确性和效率，从而让人们更加健康。

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