基于微納通道的電化學(xué)生物分析新方法.pdf

1、近年來(lái)，基于微納通道的電化學(xué)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(jìn)行電化學(xué)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(xué)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(dòng)力學(xué)，檢測(cè)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(xué)反應(yīng)中間體。具體內(nèi)容如下:
　　(1)構(gòu)建與實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)相結(jié)合的納米分析器件，來(lái)評(píng)估受限納米空間或界面上的酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，已經(jīng)受到了越來(lái)越多的關(guān)注。因此，論文構(gòu)建了一個(gè)納米通道陣列-酶體系，結(jié)合電化學(xué)方法研究了酶催化反應(yīng)。通過(guò)將葡萄糖氧化酶(GOD)共價(jià)修飾到多孔陽(yáng)極氧化鋁(PAA)膜的納米通道內(nèi)壁上，并將金盤(pán)貼附在PAA膜納米通道的一端作

3、為工作電極來(lái)檢測(cè)酶催化反應(yīng)的產(chǎn)物過(guò)氧化氫(H2O2)，實(shí)驗(yàn)研究了離子強(qiáng)度、酶固定量、納米通道孔徑等因素對(duì)酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)受限納米空間內(nèi)的酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)提供了一個(gè)平臺(tái)。該納米通道-酶體系可以

4、為設(shè)計(jì)先進(jìn)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(píng)估受限納米空間內(nèi)的生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，對(duì)于研究生物體內(nèi)分子級(jí)的生物過(guò)程有著重要的意義。因此，論文提出了一個(gè)基于納米通道陣列的電化學(xué)生物反應(yīng)器和一個(gè)相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型，并通過(guò)簡(jiǎn)單的電化學(xué)方法來(lái)研究受限納米通道內(nèi)的免疫反應(yīng)。將一端帶有兩個(gè)地高辛抗原分子的單鏈DNA修飾到PAA納米通道內(nèi)，當(dāng)?shù)馗咝量贵w穿過(guò)納米通道并被地高辛抗原捕獲時(shí)，納米通道內(nèi)的指示離子流將會(huì)受到調(diào)控

5、，同時(shí)其還受到許多其它實(shí)驗(yàn)條件的影響，例如溶液的離子強(qiáng)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(diǎn)，提出了定量描述納米通道內(nèi)免疫反應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。結(jié)果顯示，除了已被研究的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù)，論文還定量揭示了更多有意義的動(dòng)力學(xué)信息，包括納米通道內(nèi)抗體的移動(dòng)速度以及免疫反應(yīng)的進(jìn)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(lái)方便檢測(cè)各類生物小分子的平臺(tái)，仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。因此

6、，論文構(gòu)建了一個(gè)基于納米通道陣列的電化學(xué)平臺(tái)來(lái)方便、定量檢測(cè)生物相關(guān)的小分子，例如鉀離子(K+)和三磷酸腺苷(ATP)。通過(guò)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(jià)組裝到PAA納米通道的內(nèi)壁上。在目標(biāo)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(guò)納米通道形成的陽(yáng)極電流來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)

7、。結(jié)果顯示，該平臺(tái)成功實(shí)現(xiàn)了K+和ATP的定量檢測(cè)，其可檢測(cè)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(tái)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(duì)其它基于適體的分析物的檢測(cè)能力，這將推進(jìn)其在生物檢測(cè)和臨床檢測(cè)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(gè)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(gè)微流控分析器件，即液體-真空界面分析系統(tǒng)(SALVI)，結(jié)合時(shí)間飛行二次離子質(zhì)譜(ToF-SIMS)等表面分析技術(shù)，可以對(duì)液體表面和固液界面進(jìn)行直接分析?；赟ALVI的原位液體SIMS實(shí)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(xì)成分，而水簇和氨基酸碎片的三維圖則進(jìn)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(dòng)力學(xué)模擬提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。論文不僅可以推進(jìn)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(xué)界面已被廣泛研究，然而，對(duì)該動(dòng)態(tài)界面上離子或分子中間體的實(shí)時(shí)空間成像仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。因此，論文發(fā)展了一個(gè)利用質(zhì)譜成像技術(shù)對(duì)電極-電解液界面進(jìn)行原位時(shí)間分辨動(dòng)態(tài)表征的方法，并由一個(gè)適用于真空環(huán)境的電化學(xué)微流控反應(yīng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)同步進(jìn)行循環(huán)伏

10、安法(CV)和動(dòng)態(tài)SIMS，可以探索碘離子(I-)在金電極表面的氧化反應(yīng)機(jī)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(jìn)一步證明了利用高分辨化學(xué)成像技術(shù)對(duì)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物和中間體進(jìn)行直接實(shí)時(shí)觀測(cè)的重要性。該創(chuàng)新的平臺(tái)適用于固液界面上電化學(xué)反應(yīng)的基本動(dòng)力學(xué)研究，并為設(shè)計(jì)固液界面上電能存儲(chǔ)、材料合成、電催化、能源轉(zhuǎn)換等方面的應(yīng)用提