电化学传感器的应用及发展前景

苏州大学研究生考试答卷封面考试科目：仪器分析考试得分：________________院别：材料与化学化工学部专业：分析化学学生姓名：饶海英学号：20114209033授课教师：考试日期：2012年1月10日电化学传感器的应用研究摘要：随着电分析技术的发展，电化学传感技术越来越成为生命科学、临床诊断和药学研究的重要手段之一。本文主要介绍了电化学发光免疫传感器，电化学DNA传感器、电化学氧传感器、纳米材料电化学传感器的基本概念、原理，以及这些传感器在各领域的应用。关键词:电化学传感器免疫传感器传感器电化学传感技术的核心是传感器。传感器能感受(或响应)规定的被测量并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置。传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件和产生可用信号输出的转换元件以及相应的电子线路所组成，是将一种信息能转换成可测量信号(一般指电学信号)的器件。传感器可分为物理传感器、化学传感器和生物传感器三大类。本文以化学传感器尤其是电化学传感器进行研究。电致化学发光(Electrogeneratedchemiluminescence)，也称电化学发光(Electrochemiluminescence)，简称ECL，是通过电极对含有化学发光物质的体系施加一定的电压或通过一定的电流，电极氧化还原产物之间或电极氧化还原产物与体系其它共存物质之间发生化学反应并生成某种不稳定的中间态物质，该物质分解而产生的化学发光现象。电致化学发光技术是电化学与化学发光相结合的检测技术，该技术既集成了发光与电化学分析技术的优点，又具有二者结合产生的可控性、选择性、重现性好、灵敏度高、检测限低及动力学响应范围宽等新优势[1~3]。电化学传感器可分为以下几个类型。①吸附型：通过吸附方式将修饰物质结合在电极表面得到的修饰电极为吸附型化学修饰电极。可以制备单分子层和多分子层。根据吸附作用力的不同，又可分为平衡吸附型、静电吸附型、LB膜型、SA膜型、涂层型。②共价键合型：在电极的表面通过键合反应把预定功能团接在电极表面而得到的化学修饰电极为共价型化学修饰电极。常用基体电极有碳电极、玻碳电极、金属和金属氧化物电极。③聚合物型：利用聚合反应在电极表面形成修饰膜的电极。制备方式有氧化还原沉积、有机硅烷缩合、等离子聚合、电化学聚合等。④其他类型：无机物修饰电极，如普鲁士蓝修饰电极、粘土修饰电极、沸石修饰电极、金属及金属氧化物修饰电极。本文就电化学发光免疫传感器，电化学DNA传感器、电化学氧传感器、纳米材料电化学传感器集中电化学传感器进行研究。1电化学发光免疫传感器1.1电化学发光免疫传感器的原理电致化学发光免疫传感器是一种将电致化学发光技术与免疫学分析方法相结合而发展起来的具有高灵敏度、高选择性、低背景等特点的生物传感器。其以免疫抗原抗体生物分子作为识别元件，通过固定化技术将免疫蛋白结合到感受器(电极)表面，当抗体分子超变区与抗原决定簇发生特异的免疫识别反应后，生成的免疫复合物与产生的电致化学发光信号相关联，由换能器转化这些与待测分析物浓度(或活度)相关的信号，再通过二次仪表放大输出，从而实现对待测免疫分子的定量检测。20世纪70年代之前，有关ECL免疫传感器的研究发展缓慢。80年代以后，大量有机化合物、无机化合物甚至半导体纳米材料等新型电致化学发光活性物质被合成。寻找新的高量子产率电致化学发光试剂或修饰这些发光试剂分子以用于生物分子标记成为合成并研究这些新型发光试剂的源动力[2~3]。近代临床医学对疾病标志物免疫分子快速、灵敏的检测要求，极大的推动了信号放大型的电致化学发光免疫传感器的研究。且随着生物技术和纳米材料技术的迅速发展，利用化学、材料及生物等多种技术特异性地转化并放大与免疫反应有关的检测信号，成为电致化学发光免疫传感器的重要研究方。1.2电化学免疫传感器的应用电化学免疫传感器在床边诊断中扮演很重要的角色。现代电化学免疫传感器有很高的灵敏度，可以用于肿瘤的早期诊断。电化学免疫传感器给提高癌症诊断和治疗检测的水平带来了希望。Zhu[4]总结了电化学免疫传感器在肿瘤标志物检测中的应用，对电位型免疫传感器，电流型免疫传感器，电容型免疫传感器，阻抗型免疫传感器，电化学免疫传感器与纳米技术联用等几个方面进行了详细的阐述。同时指出目前用于临床肿瘤诊断的标志物较多,但往往因为敏感性、特异性不够理想,在肿瘤的筛查、辅助诊断中存在一些局限性。杜[12]等人研究了在PBS缓冲介质中,一种检测癌胚抗原的新型免标记电化学免疫传感器的制备及应用,石墨烯与甲苯胺蓝复合物饰于玻碳电极表面,通过循环伏安法对修饰的电极进行表征。基于以[Fe(CN)6]3-/4-为氧化还原探针,癌胚抗原抗体反应引起[Fe(CN)6]3-/4-探针的电流响应的变化,来实现癌胚抗原的检测,癌胚抗原的浓度在0.3～10.0ng/mL范围内与峰电流呈良好的线性关系,回归方程为Δi=-1.926ρ+0.413,相关系数为0.9903,检测限为0.1ng/mL,该传感器具有良好的重现性、选择性和稳定性,用于人血清样品的测定获得满意结果。2电化学DNA传感器电化学DNA传感器是生物分析一个非常重要的领域，也是一种应用较为广泛的检测手段。2.1电化学DNA传感器工作原理电化学DNA传感器利用单链DNA(ssDNA-作为敏感元件通过共价键合或化学吸附固定在固体电极表面.加上识别杂交信息的电活性指示剂(称为杂交指示剂-共同构成的检测特定基因的装置/如图)所示/图1电化学DNA传感器的工作原理示意图其工作原理是利用固定在电极表面的某一特定序列的ssDNA与溶液中的互补序列DNA的特异识别作用(分子杂交-形成双链DNA(dsDNA-.同时借助一能识别ssDNA和dsDNA的杂交指示剂的电化学响应信号的改变来达到检测基因是否存在.达到定性的目的/同时.当互补序列DNA的浓度发生改变时.指示剂嵌入后的响应信号也会发生响应变化/一定范围内指示剂的响应信号与待测DNA物质的量浓度成线性关系.从而得以检测基因含量，达到定量的目的[5]。2.2电化学DNA传感器的分类电化学DNA传感器是生物传感的一个分支，主要分为以下几类：（1）基于特异序列（包括单碱基多态性）的识别检测；（2）基于适体（aptamer）对底物的识别检测；（3）基于DNA片段对小分子(包括金属离子等)以及结合蛋白的绑定识别检测；（4）DNA不做为识别原件，仅仅做为信号来源的传感检测。2.3电化学DNA传感器在药物检验中的应用DNA传感器在药物分析中的应用也越来越受到关注。brett等利用DNA修饰电极建立了对抗癌药卡铂的测定方法,工作电极选择了玻碳电极.用吸附法使DNA修饰在电极表面。测定血样品中卡铂检出为5.7mol/L。用该方法还可以测定其它铂类抗癌药。曹[13]等人针对传统DNA测定方法中存在的严重问题,提出了新型测定DNA的技术-电化学DNA传感器测定法。电化学DNA传感器的研究工作虽然还处于起步阶段.但它开辟了电化学与分子生物学的新领域.为生命科学的研究提供了一种全新的方法。对临床医学和遗传工程的研究具有深远的意义和应用价值。3电化学氧传感器氧传感器广泛应用在工业、科研及国防领域，用于测量环境中的氧气含量。氧传感器根据工作原理的不同分为很多类型，有电化学型、热磁式、光学式以及半导体电阻型氧传感器，其中电化学氧传感器具有灵敏度高、测量范围宽、响应时间快、可靠性高等特点，成为氧传感器领域研究最多，技术最为成熟的一类，也是目前唯一一类实现商业化批量生产的氧传感器。3.1固体电解质氧传感器的的工作原理电化学氧传感器根据工作原理不同可以分固体电解质氧传感器，液体电解质氧传感器，热磁式氧传感器，光纤式氧传感器，可调谐激光式氧传感器等。此处着重介绍固体电解质氧传感器的的工作原理。以二氧化锆氧传感器为例，它以对氧离子有较高导电能力的ZrO2作基质[5]，两面设有对氧有催化还原作用的铂电极，将其置于含氧的参比气体和待测气体中，就形成了氧的浓差电池：参比气体|Pt，ZrO2，Pt|待测气体。其电池反应为：O2(参)_O2(测)。按能斯特公式测得此电池电动势E及已知参比气体中氧的分压PO2，即可求得待测气体中氧含量：E=E0-RT/4F㏑(Po2(测)/Po2(参))式中，E—电池的电动势；E0—电池的标准电动势；R—热力学参数；F—法拉第常数；T—绝对温度；Po2（测）—待测气体中氧气分压；Po2（参）—参比气体中氧气分压。由于电池电动势E与待测气体中氧含量成对数关系，故信号不易处理，研究者在此基础上对其进行改进，又研制成了极限电流型氧传感器（电化学泵氧传感器）。它是靠外加电压驱动电池反应的，当外电压增至某一值时，气相氧扩散至电极表面的速度跟不上电极还原反应的速度，回流中出现饱和的电流值，此电流不随外加电压增大而增加，被称为极限电流，其大小与氧浓度呈线性关系。此类传感器具有灵敏度高、响应快、信号易于处理、不带有参比气体和易于微型化的优点，已成功地用于汽车乏氧检测中，节能效果很显著[6]。3.3液体电解质材料以传统钾盐电解质材料制作的氧传感器具有灵敏度高、响应时间快等特点，但同时存在电解质挥发、渗漏等问题，影响传感器性能及寿命。针对传统电解质材料挥发问题，人们开展了低挥发性甚至零挥发液体电解质材料的研究与开发。离子液体具有高离子导电性、宽电化学窗口、低蒸汽压等优点，特别是其室温下为液态，成为目前研究最为广泛的新型电解质材料。Alnashef等人在2001年第一次报道了氧气在离子液体中的电化学反应为准可逆反应。Buzzeo等人于2004年提出，以离子液体作为电解质，不需要使用渗透膜的电化学气体传感器，并将其用于氧气测量。王荣等人报道了一种新型氧传感器，将离子液体固定在多孔乙烯薄膜中，应用多步电位阶跃法进行测定，获得了不错的结果。Hengstenberg等提出了使用离子液体作为电解质的开放式氧传感器，消除了传统液体电解质氧传感器因电解液渗出或干涸带来的弊端，排除了对渗析膜和支持电解质的依赖，又具有体积小，使用方便等优点。3.4氧传感器的的应用随着社会经济以及军事技术的发展与进步，氧传感器及其智能化仪表已经被广泛应用在国防科研、汽车工业、冶金化工、医疗环保、食品酿造等诸多领域。例如，随着武器装备的升级换代、航空航天技术的进步，氧传感器被广泛应用在载人飞船、潜艇、空间站以及飞机飞行员的高空呼吸系统中，对氧气浓度进行监测，以保障军事人员的生命安全以及武器装备的正常运行。冶金化工行业需要氧传感器对其生产过程中的氧含量进行监测，以便进一步进行空气气体的调节，达到节能、环保和优质冶炼的目的。4纳米材料电化学传感器纳米材料是指在纳米长度范围内由1-100nm的超细微粒组成的颗粒、结构或复合材料．纳米材料自身的特殊结构导致其具有以下四大效应：小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应。由这四大效应产生了很多独特的性质，如特殊的机械性能、电性能、磁性能、热性能、光性能、化学活性和催化活性等［7,8］。而纳米ZnO由于其在生物电化学领域中的广泛应用而成为最重要的研究对象之一。ZnO是一种新型的Ⅱ－Ⅳ族半导体材料，室温下具有宽的带隙（3.3ev）、大的激子束缚能（60mev）、极好的化学和热力学稳定性，在0.4-2μm的波长范围内透明。纳米ZnO具有纳米材料和半导体材料两方面完美结合的性能，在电子学、光电子学、压电和光电装置、化学传感器、光伏应用等领域表现出潜在应用前景［9］。史永等[10]人以醋酸锌和醋酸钠为原料，采用控制电量法电化学合成氧化锌纳米线阵列。然后将血红蛋白固定在聚电解质修饰的氧化锌复合膜上，构建了高灵敏度的过氧化氢传感器。实验结果表明：固定在氧化锌纳米线上的血红蛋白呈现出一对较好的近乎可逆的氧化还原峰，较快的电子传递速率，并且对过氧化氢有良好的催化作用。因此，氧化锌纳米线阵列为酶的固定和直接电化学研究提供了一个新的有效平台。朱旭等[11]人以抗坏血酸(AA)为还原剂,通过同步还原法制得石墨烯/纳米金复合材料。采用电化学方法,构建了一种基于石墨烯/纳米金复合材料修饰电极的无酶葡萄糖生