基于微納通道的電化學生物分析新方法.pdf

1、近年來，基于微納通道的電化學生物分析得到了快速的發(fā)展。微納通道主要包括蛋白質(zhì)納米通道、固態(tài)納米通道、固態(tài)納米通道陣列以及微流控通道。而分析物則包括小分子、核酸、肽、蛋白質(zhì)、酶以及生物分子復(fù)合體等。利用微納通道進行電化學生物分析為臨床診斷、生命分析、環(huán)境和工業(yè)研究等提供了新的途徑。
　　論文利用電化學技術(shù)，結(jié)合多種分析方法，發(fā)展了三種基于固態(tài)納米通道陣列和兩種基于微流控通道的新型分析器件，分別用于研究納米空間內(nèi)酶催化反應(yīng)、免疫反應(yīng)的

2、動力學，檢測適體響應(yīng)的生物小分子，表征水合蛋白質(zhì)膜的成分和結(jié)構(gòu)、電極-電解液界面上的電化學反應(yīng)中間體。具體內(nèi)容如下:
　　(1)構(gòu)建與實時檢測系統(tǒng)相結(jié)合的納米分析器件，來評估受限納米空間或界面上的酶催化反應(yīng)動力學，已經(jīng)受到了越來越多的關(guān)注。因此，論文構(gòu)建了一個納米通道陣列-酶體系，結(jié)合電化學方法研究了酶催化反應(yīng)。通過將葡萄糖氧化酶(GOD)共價修飾到多孔陽極氧化鋁(PAA)膜的納米通道內(nèi)壁上，并將金盤貼附在PAA膜納米通道的一端作

3、為工作電極來檢測酶催化反應(yīng)的產(chǎn)物過氧化氫(H2O2)，實驗研究了離子強度、酶固定量、納米通道孔徑等因素對酶催化反應(yīng)動力學的影響。結(jié)果顯示，受限于納米通道內(nèi)的GOD表現(xiàn)出了高穩(wěn)定性和高反應(yīng)活性。將葡萄糖加入該納米通道-酶體系，其電流響應(yīng)與葡萄糖濃度在0.005 mM到2mM之間具有線性關(guān)系。受限于納米通道內(nèi)的GOD表觀米氏常數(shù)(Kmapp)為0.4 mM。論文為實時監(jiān)測受限納米空間內(nèi)的酶催化反應(yīng)動力學提供了一個平臺。該納米通道-酶體系可以

4、為設(shè)計先進且高靈敏度高效的生物分析器件和酶催化反應(yīng)器提供幫助。
　　(2)評估受限納米空間內(nèi)的生物反應(yīng)動力學，對于研究生物體內(nèi)分子級的生物過程有著重要的意義。因此，論文提出了一個基于納米通道陣列的電化學生物反應(yīng)器和一個相應(yīng)的動力學模型，并通過簡單的電化學方法來研究受限納米通道內(nèi)的免疫反應(yīng)。將一端帶有兩個地高辛抗原分子的單鏈DNA修飾到PAA納米通道內(nèi)，當?shù)馗咝量贵w穿過納米通道并被地高辛抗原捕獲時，納米通道內(nèi)的指示離子流將會受到調(diào)控

5、，同時其還受到許多其它實驗條件的影響，例如溶液的離子強度和pH、納米通道的孔徑、指示物質(zhì)的帶電性質(zhì)等。依據(jù)這些特點，提出了定量描述納米通道內(nèi)免疫反應(yīng)的數(shù)學模型。結(jié)果顯示，除了已被研究的反應(yīng)動力學常數(shù)，論文還定量揭示了更多有意義的動力學信息，包括納米通道內(nèi)抗體的移動速度以及免疫反應(yīng)的進程等。論文為深入研究受限納米空間內(nèi)的生物反應(yīng)提供了新的視角。
　　(3)發(fā)展基于納米材料體系來方便檢測各類生物小分子的平臺，仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。因此

6、，論文構(gòu)建了一個基于納米通道陣列的電化學平臺來方便、定量檢測生物相關(guān)的小分子，例如鉀離子(K+)和三磷酸腺苷(ATP)。通過適體上的醛基(-CHO)與PAA納米通道上修飾的氨基(-NH2)之間的席夫反應(yīng)，K+或ATP的G-四聯(lián)體適體可以在溫和條件下共價組裝到PAA納米通道的內(nèi)壁上。在目標分子出現(xiàn)的情況下，受限納米通道內(nèi)適體的構(gòu)象將發(fā)生轉(zhuǎn)換，并導(dǎo)致納米通道內(nèi)空間位阻的增加。而空間位阻的變化則是由指示分子穿過納米通道形成的陽極電流來進行監(jiān)測

7、。結(jié)果顯示，該平臺成功實現(xiàn)了K+和ATP的定量檢測，其可檢測的濃度范圍分別為0.005 mM到1.0 mM和0.05 mM到10.0 mM。該平臺不僅具有優(yōu)異的選擇性、良好的重現(xiàn)性以及普適性，還表現(xiàn)出了對其它基于適體的分析物的檢測能力，這將推進其在生物檢測和臨床檢測等方面的應(yīng)用和發(fā)展。
　　(4)蛋白質(zhì)的水合作用是蛋白質(zhì)分子保持其正?？臻g構(gòu)象和生物活性的一個關(guān)鍵性因素。了解水合蛋白質(zhì)膜的成分和結(jié)構(gòu)，特別是其內(nèi)部水分子的分布則顯得尤

8、為重要。因此，論文提出了一個微流控分析器件，即液體-真空界面分析系統(tǒng)(SALVI)，結(jié)合時間飛行二次離子質(zhì)譜(ToF-SIMS)等表面分析技術(shù)，可以對液體表面和固液界面進行直接分析?；赟ALVI的原位液體SIMS實現(xiàn)了固體表面水合蛋白質(zhì)膜的分析。論文研究了五種代表性的水合蛋白質(zhì)膜和純水，結(jié)果表明，水簇和氨基酸碎片的半定量質(zhì)譜揭示了水合蛋白質(zhì)膜中水分子和氨基酸的詳細成分，而水簇和氨基酸碎片的三維圖則進一步展現(xiàn)了水合蛋白質(zhì)膜中水分子和氨基

9、酸的空間分布和立體結(jié)構(gòu)，為蛋白質(zhì)的分子動力學模擬提供了實驗依據(jù)。論文不僅可以推進生物分子水合作用的研究，還可以推廣至生命分析和生物研究等其它領(lǐng)域。
　　(5)固態(tài)電極與液態(tài)電解質(zhì)之間的電化學界面已被廣泛研究，然而，對該動態(tài)界面上離子或分子中間體的實時空間成像仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。因此，論文發(fā)展了一個利用質(zhì)譜成像技術(shù)對電極-電解液界面進行原位時間分辨動態(tài)表征的方法，并由一個適用于真空環(huán)境的電化學微流控反應(yīng)器來實現(xiàn)。通過同步進行循環(huán)伏

10、安法(CV)和動態(tài)SIMS，可以探索碘離子(I-)在金電極表面的氧化反應(yīng)機理。
　　結(jié)果表明，金電極表面存在復(fù)雜的表面反應(yīng)，特別是金-碘化合物吸附層形成，這為探索更多的瞬態(tài)物質(zhì)和了解基本的電極反應(yīng)提供了新的途徑和視角。這些發(fā)現(xiàn)進一步證明了利用高分辨化學成像技術(shù)對電化學反應(yīng)產(chǎn)物和中間體進行直接實時觀測的重要性。該創(chuàng)新的平臺適用于固液界面上電化學反應(yīng)的基本動力學研究，并為設(shè)計固液界面上電能存儲、材料合成、電催化、能源轉(zhuǎn)換等方面的應(yīng)用提