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展。微納通道主要包括蛋白質納米通道、固態納米通道、固態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、酶以及生物分子復合體等。利用微納通道進行電化學生物分析為臨床診斷、生命分析、環境和工業研究等提供了新的途徑。
　　論文利用電化學技術，結合多種分析方法，發展了三種基于固態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酶催化反應、免疫反應的

2、動力學，檢測適體響應的生物小分子，表征水合蛋白質膜的成分和結構、電極-電解液界面上的電化學反應中間體。具體內容如下:
　　(1)構建與實時檢測系統相結合的納米分析器件，來評估受限納米空間或界面上的酶催化反應動力學，已經受到了越來越多的關注。因此，論文構建了一個納米通道陣列-酶體系，結合電化學方法研究了酶催化反應。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的產物過氧化氫(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動力學的影響。結果顯示，受限于納米通道內的GOD表現出了高穩定性和高反應活性。將葡萄糖加入該納米通道-酶體系，其電流響應與葡萄糖濃度在0.005 mM到2mM之間具有線性關系。受限于納米通道內的GOD表觀米氏常數(Kmapp)為0.4 mM。論文為實時監測受限納米空間內的酶催化反應動力學提供了一個平臺。該納米通道-酶體系可以

4、為設計先進且高靈敏度高效的生物分析器件和酶催化反應器提供幫助。
　　(2)評估受限納米空間內的生物反應動力學，對于研究生物體內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器和一個相應的動力學模型，并通過簡單的電化學方法來研究受限納米通道內的免疫反應。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，當地高辛抗體穿過納米通道并被地高辛抗原捕獲時，納米通道內的指示離子流將會受到調控

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、指示物質的帶電性質等。依據這些特點，提出了定量描述納米通道內免疫反應的數學模型。結果顯示，除了已被研究的反應動力學常數，論文還定量揭示了更多有意義的動力學信息，包括納米通道內抗體的移動速度以及免疫反應的進程等。論文為深入研究受限納米空間內的生物反應提供了新的視角。
　　(3)發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。因此

6、，論文構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，K+或ATP的G-四聯體適體可以在溫和條件下共價組裝到PAA納米通道的內壁上。在目標分子出現的情況下，受限納米通道內適體的構象將發生轉換，并導致納米通道內空間位阻的增加。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測

7、。結果顯示，該平臺成功實現了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。該平臺不僅具有優異的選擇性、良好的重現性以及普適性，還表現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用和發展。
　　(4)蛋白質的水合作用是蛋白質分子保持其正?？臻g構象和生物活性的一個關鍵性因素。了解水合蛋白質膜的成分和結構，特別是其內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(SALVI)，結合時間飛行二次離子質譜(ToF-SIMS)等表面分析技術，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實現了固體表面水合蛋白質膜的分析。論文研究了五種代表性的水合蛋白質膜和純水，結果表明，水簇和氨基酸碎片的半定量質譜揭示了水合蛋白質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了水合蛋白質膜中水分子和氨基

9、酸的空間分布和立體結構，為蛋白質的分子動力學模擬提供了實驗依據。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域。
　　(5)固態電極與液態電解質之間的電化學界面已被廣泛研究，然而，對該動態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。因此，論文發展了一個利用質譜成像技術對電極-電解液界面進行原位時間分辨動態表征的方法，并由一個適用于真空環境的電化學微流控反應器來實現。通過同步進行循環伏

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