蛋白质的电化学化学研究(共18页)

1、 蛋白质的电分析化学(fn x hu xu)研究 王惠凯摘要：生命现象的许多过程皆伴随着电子传递反应，应用电化学方法研究生物体系的电子传递及其相关过程是揭示生命本质的较好途径。本文(bnwn)从酶生物传感器、蛋白质修饰电极和免疫传感器3 个方面评述了近年来蛋白质的电分析化学(fn x hu xu)研究的现状和进展，并提出了今后可能的研究方向。关键词：生物传感器；酶生物传感器；免疫传感器；蛋白质；电分析化学中图分类号：0657.l 文献标识码：A 文章编号：l000-0720（2006）0l-0ll4-09 蛋白质属于生物有机大分子，是决定生命存在和运动的最重要的一类物质。从极其复杂的具有多细胞

2、和组织、器官分化的高等动、植物，到简单的单细胞原核生物甚至无细胞的分子生命形式病毒，一切生命体的繁衍、代谢、生存、发展都离不开蛋白质，蛋白质在构成有机体和完成体内精确的生化代谢和机体多样的生理功能中发挥着重要作用。从整个生态系统来看，蛋白质的代谢和利用是维持物种关系和生态平衡的重要因素。对于整个自然界来说，蛋白质作为一种主要的有机氮存在方式，它在物质循环中起着重要作用，它的出现和演变对生命的起源和物种的形成、进化具有重要的意义。对于人类来说，蛋白质作为基本营养成份是人类生存所需的基本物质，所以对蛋白质的研究、开发和利用都是非常重要的课题。 用电化学手段研究蛋白质和酶的电子传递过程，引起国内外化

3、学家和生物化学家的广泛关注，因为氧化还原和电极之间的电子传递过程更接近生物氧化还原系统的原始模型l。l . 电化学和氧化还原的电子传递过程或氧化还原反应均包含异相的电子传递过程；电化学过程发生在电极-溶液界面，而生物氧化还原过程则发生在蛋白质（酶）-体液之间；2 . 电化学反应能模拟生物氧化还原反应的条件（即形成仿生界面）：如可将pH、离子强度、温度、反应进行的非水环境等调节至生理状态；3 . 进行电子传递之前，蛋白质的亚基分子以特殊构象定位于电极表面，而在生物体内定位于酶的活性位点。实现生物大分子与电极之间电子转移必须将生物大分子的电化学活性中心与电极距离缩短到l nm2，或使生物的分子与电

4、极表面活性基团键合，以形成电子传输通道3。多年来科学工作者不断地探索各种途径，探讨蛋白质快速电子传递反应过程，以实现体内蛋白质生理反应过程的电化学模拟，为揭示生物氧化还原系统中电子转移机理奠定基础。要实现这一目标关键是提高氧化还原蛋白质和酶与电极之间电子传递的速度和可逆程度。本文将对酶生物传感器、蛋白质修饰电极和免疫传感器的电化学研究现状和进展及相关技术进行评述。l、酶生物传感器酶作为一类典型的生物大分子和特殊的催化剂，在生命过程中扮演着极其重要的角色。尤其是在呼吸链中生物氧化和新陈代谢是靠多种酶的共同作用才完成的，研究酶的直接电化学无论在理论上还是在实用上都具有重要意义。在理论上，酶与电极之

5、间直接电子传递过程更接近生物氧化还原系统的原始模型，这就为揭示生物氧化还原过程的机理奠定了基础。另外，酶的直接电化学的研究可望为推断生物氧化还原系统中电子传递反应的特异性提供一定的依据。l .l 酶生物传感器的基本(jbn)结构及工作原理酶生物传感器是由一个固定化的生物敏感膜和与之密切结合的换能系统组成(z chn)，它把固定酶和电化学传感器结合在一起，因而具有独特的优点4：（l）它既有不溶性酶体系的优点，又具有(jyu)电化学电极的高灵敏度；（2）由于酶的专属反应性，使其具有高的选择性，能够直接在复杂试样中进行测定。因此，酶电极在生物传感器领域中占有重要地位。 当酶电极浸入被测溶液，待测底物

6、浸入酶层内部并参与反应。大部分酶的反应都会产生或消耗一种可被电极测定的物质，当反应达到稳态时，电活性物质的浓度可以通过电位或电流模式进行测定。因此，酶生物传感器可分为电位型和电流型两类传感器。电位型传感器是指酶电极与参比电极间输出的电位信号，它与被测物质之间服从能斯特关系。而电流型传感器是以酶促反应所引起的物质量的变化转变成电流信号输出，输出电流大小直接与底物浓度有关。电流型传感器与电位型相比具有更简单、直观的效果，且灵敏度也较高。 l .2 酶生物传感器的发展阶段酶电催化研究经历了3 个发展阶段即以氧为中继体的电催化，基于人造媒介体的电催化和直接电催化，以葡萄糖氧化酶（GOD）催化葡萄糖（g

7、iucOse）为例可说明如下：以氧为中继体的电催化（第一代生物传感器）溶液：GODOX + giucOse!giucOnOiactOne + GODred（l）GODred + O2!GODOX + H2O2（2）电极：H2O2!O2 + 2H+ + 2e （3）基于人造中继体的电催化（第二代生物传感器）溶液：GODOX + giucOse!giucOnOiactOne + GODred（4）GODred + MOX!GODOX + Mred（5）电极：Mred!MOX + !e （6）直接电催化（第三代生物传感器）溶液：GODOX + giucOse!giucOnOiactOne + GOD

8、red（7）电极：GODred!GODOX + 2e可见前两种类型的电催化并没有本质区别，它们都需要中继体作为电子受体（或供体）才能完成催化循环，因此(ync)属于间接电催化；而直接电催化电极本身就是电子的受体（或供体），在这里酶与电极直接进行电子交换从而完成催化循环。图l 更直观地示意出直接电催化和间接电催化的区别。从应用方面而言，酶直接电化学的实现可用于研制第三代生物(shngw)传感器和发展人工心脏用的生物燃料电池5。近年来，人们更关注酶与电极之间的直接(zhji)电子传递研究并用于构造第三代生物传感器。 图l 酶电催化类型Fig .l Kinds of electrocatalysis

9、 of enzymesS，P，EOX，Ered，MOX和Ired分别代表底物，产物，氧化态酶，还原态酶，氧化态媒介体和还原态媒介体l .3 酶的固定化技术由于生物传感器最主要的一个元件是固定化的生物传感器，因此酶膜的固定一直是生物传感器研究的关键环节。已有的固定化方法分为3 大类：即吸附法、包埋法的物理方法，共价法、交联法的化学方法和电化学聚合法。吸附法和包埋法简单易行，对酶的失活作用小，但吸附法在制备过程中受pH、离子强度、温度的影响比较大，酶固定化不牢，容易脱落；包埋法则因为包埋载体网络的限制，对大分子的底物不太适用，且包埋在载体里的生物活性材料亦很容易从载体中逸出。 共价法和交联法主要是

10、利用化学反应将蛋白质等生物活性材料的游离基团共价偶联到载体上而达到固定化目的。生物活性材料中可供反应的基团有- NH2、- COOH、- SH、- OH、咪唑基和苯酚基。 电化学键合法制备生物传感器通常在中性溶液中。在酶、聚合单体、介体和辅酶同时存在时，通过恒电位或电位循环扫描法使单体电氧化或还原聚合在基体电极上。聚合过程中由于吸附或静电作用，酶或介体等其他物质同时嵌入聚合膜中，与传统的固定法相比，有以下几个优点：（l）简单，电化学聚合和酶的固定化可一步完成并直接固定于电极表面；（2）聚合层厚度和酶的聚合量容易制得和调节，从而制得重现性好的电极；（3）有些高分子膜具有选择性透过某些物质的功能，

11、可起到降低干扰，防止电极污染的作用。所以电化学聚合法为近年来发展起来的一种非常有效的新方法。穆绍林等6用聚苯胺类黄嘌呤氧化酶电极测定黄嘌呤，就是将电位控制在+ 0 .65 V，在阳极铂片上形成聚苯胺膜，将还原的聚苯胺膜浸入含有黄嘌呤氧化酶的缓冲溶液中，在+ 0 . 6 V 下将聚苯胺膜氧化，使带负电荷的黄嘌呤氧化酶掺杂到聚苯胺膜中，以达到固定酶的作用。罗颖华等7用聚吡咯电化学固定胆固醇氧化酶来测定胆固醇。Bartiett 等8用聚苯酚及其衍生物固定GOD 测定葡萄糖，获得了与聚邻苯二胺相似的结果，且聚苯酚的效果比其衍生物的效果要好。 图2 酶的固定化示意图 Fig .2 Schematic d

12、iagram of immobilization of enzyme 图2生物(shngw)传感器问世虽然仅30 年，但发展却异常迅速，此项新的检测技术，以其专一、灵敏、快速、价廉等优点越来越引人瞩目，已成为分析科学中的前沿课题。今后的工作可寻找更为合适的固定方法，尤其是酶含量高，酶层薄的固化层，以制备(zhbi)性能优越的第三代酶生物传感器。酶的直接电化学和第三代生物传感器已成为生物电化学研究的最重要发展方向之一。尽管如此，迄今只能获得少数酶的直接电化学，尚未找到一种较普遍的方法来实现酶的直接电化学，同时对直接电子传递反应机理的研究还欠深入。因此，寻找更有效的方法和手段实现更多酶的直接电化学

13、；通过研究酶的直接电化学以进一步揭示生物体系氧化还原过程；制备性能优越稳定可靠的第三代生物传感器，以满足生物医学，环境检测和工业快速分析的需要；必将成为这个领域的发展趋势。2 、氧化还原(hun yun)蛋白质修饰电极氧化还原蛋白质在电极上的直接电化学研究，对于理解和认识它们在生命体内的电子转移机制和生理作用具有重要意义(yy)。但迄今为止，只观察到极少数氧化还原蛋白质可在裸固体电极上表现出电化学活性。 实现氧化还原蛋白质与电极之间的直接(zhji)电子传递并非易事。首先，根据Marcus 电子转移理论，两氧化还原电对之间电子传递的动力学特性由以下因素决定9：推动力（如电势的差异），重组能（定

14、性反映氧化还原物质的结构）和氧化还原中心间的距离。通常，由于氧化还原蛋白质的辅基（生物活性基团常常为电化学活性基团）被多肽链所包裹，其与电极表面的距离较大，因而难于进行电子传递。第二，氧化还原蛋白质结构复杂且具有各向异性，它们的活性中心并不正好位于蛋白的中心，此外蛋白质分子表面还呈现电荷分布不均匀性。因此，蛋白质在电极表面的取向是实现蛋白质-电极电子转移的重要因素。蛋白质的电化学研究常常不得不借助于某些具有电化学活性的媒介体和其他辅助手段来实现蛋白质与电极之间间接的电化学反应。采用适当的方法在电极表面固定蛋白质，是目前蛋白质电化学研究的热点。蛋白质在电极表面具有良好的取向是实现蛋白质-电极之间

15、直接电子转移的前提。除了对电极进行表面修饰，是蛋白质处于适宜的取向外，另一重要途径是采用化学方法或生物学技术对蛋白质分子进行人工改造，设计和构造有利于电子传递的新的蛋白质体系。2 .l 蛋白质在电极表面的固定2 .l .l 蛋白质-裸电极 蛋白质在金属电极上的电化学反应通常是不可逆的，但当金属电极经一系列预处理后，可得到准可逆甚至可逆的电子转移动力学，如细胞色素c 在处理过的金和铂电极上发生可逆或准可逆电子传递l0，在经抛光和电化学粗糙化银电极上也发生直接电子传递ll。实验表明：蛋白质和金属电极之间能否进行电子转移和蛋白质与电极间的化学微环境及结构有关。而电极表面的清洁度直接影响电极表面疏水/

16、亲水特性。如金对有机污染物具有强烈的亲合力，趋向于使表面疏水，清洁的电极表面则显亲水性。电极表面可形成有序的水分子内单层和稍无序的第二单层，水合的电解质离子浓缩在水分子内单层附近以平衡电极表面电荷，细胞色素c 的赖氨酸残基与位于内单层吸附的分子间存在着氢键，从而形成了电子传递的通道。 氧化还原蛋白质能在金属氧化物如掺氟氧化锡、氧化钌、氧化铱、掺锡氧化铟等电极上发生电化学反应。这是蛋白质与电极界面静电吸附从而实现电子转移的结果。实验结果表明：溶液的离子强度和pH 对蛋白质电子转移影响很大，因为金属氧化物电极表面的羟基具有两性：MOH + H+ !MOH2+ 带正电荷（pH 较低）MOH!MO-

17、+ H+ 带负电荷（pH 较高）调节溶液的离子(lz)强度和pH，改变电极的静电特性，使蛋白质的氧化还原活性中心更接近电极表面，依靠静电吸附作用，蛋白质能与电极间进行(jnxng)快速的电子转移。所以选择合适条件，无论带正电荷的细胞色素c 还是带负电荷的铜蓝蛋白、红素(hn s)氧化蛋白、质体蓝素等在氧化物电极表面有较快的电子传递速率12。 经不同氧化步骤预处理的碳电极表面存在一系列C - O 功能团，如羧基、羰基、酚基和类脂基团等。为氧化还原蛋白质进行直接电化学反应提供良好微环境，与氧化物电极相似，电极表面的静电特性以及某些功能团的质子化或去质子化影响蛋白质的静电吸附，从而影响电子转移的速率

18、13。Hiii 等描绘了蛋白质与棱面裂解石墨电极表面相互作用的示意图14，并提出蛋白质-电极间的相互作用模式。2 .1 .2 蛋白质-促进剂-电极 促进剂可以用来修饰电极表面或对电极进行处理，也可加入到溶液中，以加快氧化还原蛋白和酶与电极之间的电子转移。它在所研究的电位范围内本身是非电活性的。1987 年，Hiii 等发现4，4*-联吡啶能促进细胞色素c 在金电极上的电子转移15，此后还发现了一大批细胞色素c 在金电极上电化学反应具有促进作用的修饰剂，并提出促进剂必须具有X-Y 结构且含有双能团的模型16。这里X 是能吸咐于金属电极表面的表面活性功能团，Y 是阴离子或碱性基团，它与细胞色素c

19、分子分布于一侧，与血红素裂隙附近质子化的赖氨酸残基发生键合作用，形成了离子键、盐桥或氢键，而这种键合被认为是进行电子转移的先决条件。近来研究表明17，只具有单一功能团的有机小分子如吡啶、噻吩、咔唑等对蛋白质的氧化还原有较强的促进作用。此外，人们还发现生物大分子、无机物、聚合物以及生物小分子如氨基酸、糖分子等对氧化还原蛋白质的电化学反应也有促进作用。这些结果突破了Hiii 等提出的模型。这说明促进剂分子的结构不是产生电催化的唯一因素，还要考虑促进剂分子在电极表面吸附能力的强弱，以及促进剂分子与生物大分子之间的相互作用方式。关于促进剂分子的结构及其在电极表面吸附能力强弱与电子转移的关系有待进一步研

20、究。2 .1 .3 蛋白质-媒介体-电极 媒介体在所研究的电位范围内是具有电活性的。通过加到溶液中或修饰在电极表面，在生物大分子与电极之间起电子传递桥梁作用，也就是催化生物大分子氧化还原的催化体。1971 年，Kuwana 开创性地在染料修饰石墨电极中得到血红蛋白的催化反应18、为研究氧化还原蛋白质的电子转移提供了有效的研究途径。在此基础上科学家做了大量工作，发现了一批能加速蛋白质与电极之间的电子转移的媒介体，而且大多数是有机染料。就能加速蛋白质电子转移染料修饰电极来说，有以下特点：1 . 光谱电化学方法的应用19。大多数氧化还原蛋白质都具有灵敏的光谱吸收信号，在染料修饰电极上，通过对染料分子

21、、蛋白质分子特征光谱的同时监测，可更深入地揭示染料分子对蛋白质的作用机制及蛋白质氧化还原反应机理，而且光谱电化学方法不受光电电流和残余电流的影响，可方便地进行蛋白质氧化还原反应的热力学和动力学研究；2 . 染料修饰电极应用的广泛性20。!多种染料分子修饰电极能促进蛋白质分子的氧化还原如亚甲蓝、亚甲绿、甲苯胺蓝、灿烂甲酚炼、亮甲基蓝、天青A、健那绿、甲基紫精、甲酚固紫等。同种染料修饰电极可加速多种蛋白质分子的氧化还原，如亚甲蓝修饰电极对肌红蛋白、血红蛋白、细胞色素c 3 种蛋白质的氧化和还原过程均具有加速作用。#基于染料(rnlio)修饰电极对蛋白质中血红素基团还原及蛋白质中所含氨基酸残基氧化的

22、催化作用。染料修饰电极作为流动注射分析（FIA）和液相色谱（LC）的电化学检测器，应用于氧化还原蛋白质的检测，克服了蛋白质分子在电极上具有不可逆的电化学反应，电位大的缺点，而且检出限较低。3 . 导电聚合物包埋染料能更快地促进蛋白质氧化还原反应21。如血红蛋白在亚甲绿、聚吡咯修饰(xish)电极上的式量异相电子转移速率常分别为1 .75 X 10 - 5 cm/S 和11 .8 X 10 - 10 cm/S，在聚吡咯-亚甲绿修饰(xish)电极上为8 . 76 X 1O - 5 cm/s，而且克服实验过程中部分染料分子会从电极表面脱落，从而导致电极活性降低的缺点，具有较高的稳定性。4 . 双媒

23、介体染料修饰电极克服单一染料修饰电极只能使蛋白质氧化或还原的弊端，既可加速蛋白质的氧化过程也可加速其还原过程22。2 .1 .4 蛋白质-纳米粒子-电极 纳米粒子具有比表面积大、催化活性高、亲和力强的特点，用于固定生物组分备受关注。用纳米憎水Au 颗粒、亲水Au颗粒、憎水SiO2颗粒以及Au 和SiO2颗粒混合与聚乙烯醇缩丁醛（PVB）构成复合固定酶膜基质，用溶胶/凝胶法固定GOD 制备纳米增强型葡萄糖传感器。实验表明，纳米颗粒可以大幅度提高固定化酶的催化活性，认为是通过Au 颗粒的作用，葡萄糖氧化酶的辅基FAD 与铂电极间直接进行电子传递23。将纳米金自组装至三维硅凝胶中，可实现HRP 的直

24、接电化学反应，构筑第三代电化学生物传感器24。纳米TiO2膜电极不仅具有生物亲和性和相容性，而且能加快氧化还原蛋白质的电子传递速度25。利用Hb/TiO2电极的光电特性，可研究蛋白质光氧化还原现象，检测水溶液中微量的一氧化碳26。在磁性纳米粒子表面修饰媒介体，可作为酶与电极之间电子传递的开关，制备由磁场控制的生物电化学传感器27。碳纳米管对Cyt c 的电子传递也有加速作用28。随着纳米粒子与蛋白质作用机理研究的深入，各种新型纳米粒子的制备，特别是量子点的引入及制备微型传感器和芯片实验室技术的发展，可望从分子水平动态研究生物体系，揭示其内在规律。2 .1 .5 蛋白质-DNA-电极DNA 和氧

25、化还原 蛋白质同存在于线粒体内，研究氧化还原蛋白质与DNA 的作用，对理解生物呼吸链能量转换具有重要的意义。DNA 在金电极和碳电极表面能形成稳定的薄膜，可用于基因杂交指示剂的选择和DNA损伤检测29，3O。RusIing 等采用逐层组装的方法，将DNA-mb 和DNA-Cyt P45O 固定在电极表面，得到Fe（!）/Fe（）电对的可逆电化学反应，应用于环境污染物的检测与转化31。用DNA 固定HRP于石墨电极表面，加快了HRP 与电极的直接电子传递速度，用于H2O2的检测32。表面活性剂膜、双层类脂膜和DNA 膜具有独特的类生物结构和生物相容性，为电化学模拟氧化还原蛋白质的生物功能创造了条

26、件。寻找适当的载体和基体电极以形成稳定的蛋白质膜层应该是今后努力的方向。2 .1 .6 蛋白质-仿生界面(jimin)-电极(dinj) 生物膜主要由蛋白质和磷脂组成。磷脂分子结构的两性特征决定了它们在生物膜中的双分子层排列(pili)及其与各种蛋白质相结合的特性。表面活性剂具有类磷脂两性结构，它们在电极表面能形成稳定的膜33，并能促进氧化还原蛋白质与电极之间的电子传递34。制备蛋白质-表面活性剂修饰电极有两种方法：1 .在电极表面蘸涂含表面活性剂的氯仿溶液，氯仿挥发后，形成表面活性剂膜电极，该电极可从溶液中吸附蛋白质；2 . 将蛋白质与表面活性剂的微囊分散混合，取混合液蘸涂至电极表面，空气干

27、燥。基体电极以棱面裂解石墨、金、铂电极为佳，而膜在掺锡氧化铟和银电极上的稳定性较差。在表面活性剂膜中，蛋白质保持着原始构象不变，与电极之间的电子传递速度大大加快。肌红蛋白（mb）35，36、血红蛋白（Hb）37、细胞色素P45O（CytP45O）38、辣根过氧化物酶（HRP）39、过氧化氢氧化酶4O，41、细胞色素c 氧化酶42等含有血红素的蛋白质，都可实现Fe（!）/Fe（）电对与电极之间直接、可逆、快速的电子传递过程。在表面活性剂膜中，蛋白质表现出较强的催化活性43。表面活性剂的结构和所带净电荷对蛋白质在电极表面的取向有一定影响44。 双层类脂膜在结构上与天然生物膜相似，能将生物分子嵌入其

28、中同时保持其生物活性。利用各种固相载体支撑的自组装双层类脂膜或混合层类脂膜的高度有序且稳定性良好的特点45，作为仿生膜，可以模拟氧化还原蛋白质生物代谢过程的特性46。将细胞色素c 氧化酶固定在双层类脂膜中，与金电极之间直接传递电子，且能氧化溶液中的Cyt cC47，48将HRP 固定于盐桥支撑的双层类脂膜中，实现了直接电化学反应及对H2O2的催化还原49。2 .2 蛋白质的分子改造 蛋白质全新设计是对蛋白质进行模拟，了解蛋白质结构与功能的关系5O，51。WiIIner 等将含有两个血红素辅基的4 肽螺旋束共价键合至自组装膜修饰金电极表面。两个血红素辅基由于与电极表面的距离不同，其氧化还原电势也

29、不同，分别为- O143 V 和- O136 V（ ! SCE）。这一性质可应用于制备生物电子整流器。另外，这种模拟蛋白质可以作为硝酸根还原酶或CO（）原卟啉重组血红蛋白的电子媒介体，催化还原NO3- 或催化2-炔-丁二酸加氢52。 采用分子生物学方法，将氧化还原性蛋白质模块（如电子传递模块）与功能性蛋白质模块（如生物催化模块）融合，显著改善蛋白质的应用特性，形成(xngchng)新型多功能蛋白质。GiIardi 等使用(shyng)黄素蛋白作为电子传递蛋白模块，以Cyt c555 和CytP450cam 作为催化蛋白模块，通过(tnggu)蛋白质工程技术，用肽链联接一种蛋白的C 末端和另一种

30、蛋白的N 末端或者引入双硫键桥，使两种蛋白融合。实验表明，黄素蛋白的引入，加速了Cyt c555 和Cyt P450 BM 3 与电极的电子传递速度c555 和CytP450 BM 3 与电极的电子传递速度53。 定点突变技术可以有目的地对蛋白质中的少数氨基酸残基进行替换，蛋白质的结构和性能基本维持不变。HRP 的表面存在8 个糖基化位点，其碳水化合物的含量l8%。这些碳水化合物有如一道屏障，阻碍了酶的氧化还原中心与电极的电子传递。Gorton 等利用基因工程手段，制得不含糖基化位点的HRP 突变体；另外在其基础上，制得分子表面含有6 个组氨酸分子的突变体，由于组氨酸与金较强的亲和力，使HRP

31、 定向固定于金电极表面。这两种突变体的电子传递速度由l S - l 分别增加到4 .7 S - l 和7 .5 S - l54。利用组氨酸与金属离子较强的亲和力定向固定蛋白质的原理也运用到铁蛋白：NADP+ 还原酶的突变体55。将肌红蛋白中的组氨酸（H64）用甘氨酸或亮氨酸取代，其直接电子传递速度大大增加56。 HiII 等将Cyt P450cam 分子表面的5 个半胱氨酸全部突变为丙氨酸，而将与电子传递相关联的4个氨基酸残基分别独立地突变为半胱氨酸。半胱氨酸的SH 与金电极表面键合，定向固定蛋白质，使电子传递通道与电极表面接近57。他们研究了定点突变蛋白质（Cyt P450cam、天青蛋白和

32、Cyt c）的电化学特性，用扫描探针显微镜观察电极表面蛋白质的结构和形貌58。应用化学方法和生物学技术设计和改造蛋白质分子，不仅对于理解生物体内电子传递机理、生物代谢过程，而且对于发展生物传感器均具有重要意义。 氧化还原蛋白质的电化学研究具有重要的理论价值和应用前景，值得重视的研究方向为：（l）深入研究氧化还原蛋白质的电子传递过程，弄清反应机理；（2）通过基因工程、蛋白质工程和蛋白质化学修饰等技术，合成新的酶，寻找新的酶促体系；（3）发掘酶的催化活性，提高酶促反应的效率；（4）人工酶模拟研究，发展特异、高效、稳定的非蛋白质结构的电催化剂；（5）制备寿命长、价格低、使用方便的电化学酶传感器；开发

33、生物能源电池、计算机生物芯片。3、免疫(miny)传感器 免疫传感器是一种(y zhn)以抗体-抗原反应为基础的生物传感器。基于这类反应的高度(god)亲和性及专一性，免疫传感器具有极高的选择性和灵敏度，并且使用简便，成本低。目前它的应用已涉及到临床医学与生物检测技术、食品工业、环境检测等广泛领域。3 .l 免疫传感器的定义、分类和工作原理 将高灵敏度的传感器技术与特异性免疫反应结合起来，用以监测抗原-抗体反应的生物传感器称作免疫传感器59。免疫传感器分为两类：非标识免疫传感器；标识免疫传感器。将抗体固定在传感器表面上，在其上进行抗原抗体复合体的形成，测定这时产生的电位变化就可直接检测抗原的，

34、称之为非标识免疫传感器。比较适宜用于血型判定及梅毒血清诊断等半定量测定场合。而在标识免疫传感器中由于使用酶等标识剂，使免疫传感器灵敏度大大提高。比较适宜用于类似微量荷尔蒙的测定。图3 和图4 为非标识和标识型免疫传感器的基本设计，图中固定化载体上的抗体接触到含有抗原的溶液时，在载体表面上形成抗原抗体复合体。形成复合体前后的物理变化，有如下4种形式：（l）膜电位；（2）电极电位；（3）压电特性；（4）光学特性。 图3 非标识免疫传感器 Fig .3 Non-labeled immunosensors 图4 标识(biozh)免疫传感器 Fig .4 Lobeled immunosensors 免

35、疫传感器的工作原理和传统的免疫测试法相似，都属于固相免疫测试法，即把抗原或抗体固定在固相支持物表面，来检测样品(yngpn)中的抗体或抗原。不同的是，传统免疫测试法的输出结果只能定性或半定量地判断，且一般不能对整个免疫反应过程的动态变化进行实时检测。而免疫传感器具有能将输出结果数字化地精密换能器，不但能达到定量检测的效果，而且由于传感与换能同步进行，能实时检测到传感器表面的抗原抗体反应，有利于对免疫反应(fnyng)进行动力学分析。因此，它可促使免疫诊断方法向定量化、操作自动化方向发展。3 .2 基于电化学换能器的免疫传感器 抗体与目标抗原之间的识别反应是免疫传感器的基础。抗体抗原反应的亲合常

36、数也就决定了免疫传感器的专一性。但是，太大的亲合常数也会使免疫传感器的识别反应失去可逆性。此外，如何将识别反应成功地转换为可纪录的物理、化学信号也是免疫传感器的决定因素，这一过程被称为换能过程，完成这一过程的仪器被称为换能器。典型的换能器有电化学、光学、声学和半导体的。 传统的电流法和电位法都已成功地应用于免疫(miny)传感器中。最近，Deasy 等报道了一种基于电流(dinli)分析的免疫传感器，用于测定7-羟基(qingj)香豆素（伞形酮）60。这种传感器巧妙地使用了辣根过氧化酶标记的7-羟基香豆素抗体。具体过程如下：将与甲状腺球蛋白结合的7-羟基香豆素抗原用全氟磺酸膜（Nafion f

37、iim）固定于玻碳电极表面后，将电极浸入含有7-羟基香豆素抗体和游离7-羟基香豆素抗原的溶液中，通过测定7 - 羟基香豆素抗体在两种形态的7-羟基香豆素抗原之间的竞争分配就可定量分析游离的7 - 羟基香豆素抗原。确定抗体分配的手段是在溶液中加入足量过氧化氢。随抗体附着在电极上的那部分辣根过氧化酶就会氧化过氧化氢，产生与其数量成正比的阴极电流。近来发展的电流型免疫传感器有用于测定胆碱酶的，还有利用含导电聚合物的抗体测定血清蛋白的。 电位法也有应用的实例。1975 年Janata61首次描述了用来监测免疫化学反应的电位测量式换能器。这种免疫测试法的原理是先通过聚氯乙烯膜把抗体固定在金属电极上，然后

38、用相应的抗原与之特异性结合，抗体膜中的离子迁移率随之发生变化，从而使电极上的膜电位也相应发生改变。膜电位的变化值与待测物浓度之间存在对数关系，因此根据电位变化值进行换算，即可求出待测物浓度。1990 年Biackburm 等62将一种可选择性催化乙酸苯酯水解的单克隆抗体固定在微型pH 电极表面，通过测定水解过程中所产生的质子间接地选择测定乙酸苯酯。 导电率测量法可大量用于化学系统中，因为许多化学反应都产生或消耗多种离子体，从而改变溶液的总导电率。通常是将一种酶固定在某种贵重金属电极上（如金、银、铜、镍、铬），在电场作用下测量待测物溶液中导电率的变化。例如，当尿被尿激酶催化生成离子产物NH4+

39、时，后者引起溶液导电率增加，其增加值与尿浓度成正比。1992 年Sandberg63描述了一种以聚合物为基础的导电率测量式免疫传感器，它与常规的酶联免疫吸附试验（ELISA）原理基本相同，只是后者的结果是通过颜色来显示，而它则是将结果转换成电信号（即导电率）。3 .3 抗体和抗原的固定 免疫传感器制作过程中一个重要的步骤是将抗体或抗原固定在传感器表面，这样才能检测相应的抗原或抗体。然而传感器表面构造不一，有金属（如金、银、铜、铂、铅、锂、钛、镍或铬）、碳、玻璃、石英等，它们与抗原或抗体的结合特性都不同，这就需要不同的固定方法，使得吸附好了的抗原或抗体不在反应中脱落。固定方法可分为直接法和间接法

40、64。前者是用含抗体或抗原的溶液涂覆或浸泡电极，通过物理或化学吸附作用使其表面生成具有识别功能的生物膜。该法简单、快速，但易阻碍特异性反应的发生，导致非特异性吸附和脱落。后者则采用中间连接层（如戊二醛）来连接传感表面和抗体或抗原，最常用的是聚乙烯亚胺（PEI）法、硅烷化（A PTE）法、牛血清白蛋白（BAS）和葡萄球菌A 蛋白（SPA ）法，其中SPA 法效果最好65，66，但它只限于固定抗体。另外，还有聚合膜连接法、生物素-亲和素体系、自组装技术和LB 膜技术等。间接法提高了固定效率、固定化层的适应性和反应灵敏度。3 .4 免疫(miny)传感器的发展趋势 免疫传感器相对于一般免疫检测方法的

41、主要优势在于：它能弥补目前常规免疫检测方法不能进行定量测定的缺点。除此之外，它还能实时监测抗原抗体反应，不需分离步骤，即在抗原抗体反应同时就把反应信号连续(linx)地记录下来，有利于抗原抗体反应的动力学分析。免疫传感器相对于其他传感器的优势则是：由于抗原与抗体的结合具有很高的特异性，从而减少了非特异性干扰，提高了检测的准确性，且检测范围也很宽。总之，集生物学、物理学、化学及医学为一体的免疫传感技术其发展潜力巨大，它不但将推动传统免疫测试法发展，而且会影响临床和环境监测等领域里的实用性研究。 免疫传感器的发展趋势主要(zhyo)有如下几点：（1）标记物的种类层出不穷，从酶和荧光试剂发展成胶乳颗

42、粒、胶体金、磁性颗粒和金属离子等；（2）向微型化、商品化方向发展，廉价的一次性传感表面大有潜力可挖；（3）与计算机联用，向智能型、操作自动化方向发展；（4）应用范围日渐扩大，已深入到环境监测、食品卫生等工业和临床诊断等领域；（5）继续提高其灵敏度、稳定性和再生性，使其更简便、快速和准确。随着分子生物学、材料学、微电子技术和光纤化学等高科技的迅速发展，免疫传感器会逐步由小规模制作转变为大规模批量生产，并在大气监测、地质勘探、通讯、军事、交通管理和汽车工业等方面起作用。4、展望利用电化学技术与现代分析手段相结合来研究电子传递蛋白质的结构和功能的关系，在近10多年来已经取得了可喜的进展，获得了一些极

43、为重要的热力学和动力学参数。这为进一步认识生物体系的电子传递反应机理以及能量转换奠定了基础。近年来，关于氧化还原酶的直接电化学研究也有许多报道，但研究工作尚处起步阶段。有越来越多的研究组开始致力于这方面的研究。随着对氧化还原生物大分子直接电化学反应认识的加深，对于分析生物体内的长程电子传递反应机理、蛋白质分子间的相互识别、第三代生物传感器的研制等具有重大意义，同时，通过对功能化电极性能的不断完善，有望研制出某一功能化电极只对生物体系中被测物种有响应，从而有效防止生物分子在检测过程中发生变性而使生物活性丧失，这无疑对于快速分析检测生物体系中有效成份的含量、提高酶活性将有很大益处，功能化电极性能的

44、进一步完善，还会大大推动新型、实用生物传感器的研制，促进各种微型化、智能化分子器件的开发和利用。 参考文献1 HiII H A 0. Pure App Chem，1987，59：7432 Bond A M. AnaI Proc，1993，30：2183 Fraser F，HiII A 0 H，NichoIas J W. Acc Chem Res，1988，21：4074 程琼，蔡丽玲. 嘉兴高等专科学校学报，1996，12（2）：405 池其金，董绍俊. 分析化学(fn x hu xu)，1994，22（10）：10656 穆绍林，薛怀国. 化学(huxu)学报，1995，53：5217 罗颖

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