光电化学技术

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光电化学技术范文第1篇

黄 焰

[摘 要]针对高职（光电探测与处理技术）课程，编写适合高职教学的教材，以典型实用电路作为项目引导，以学生动手完成实践项目作为学习任务，并将课程知识重点贯穿其中。学生分组完成实践项目，学习项目对应的课程知识点，达到知识与技能双提高的人才培养要求，同时锻炼学生的团队合作能力。

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关键词 ]项目化教学；光电探测；分组实践；课程设计

中图分类号：G642 文献标识码：A文章编号：1671-0568(2014)35-0077-02

基金项目：本文系2011年武汉市市属高校科研课题“光电子技术专业核心课程‘光电探测与处理技术’的项目化课程改革” (编号：2011102)的科研成果。

《光电探测与处理技术》课程是高职院校光电子技术专业的职业核心课程。该课程围绕各种光电探测器件的工作原理，介绍各种器件的特性参数和使用方法。以往在讲授这门课程时，任课教师一般会着重讲解理论知识，并辅以课内实践教学。由于课程讲授内容与企业生产实际脱节，学生实践技能锻炼有限，这种教学方式已无法适应当前职业教育的要求。因此，笔者与教学团队的教师在承担该课程教学时，大胆采用项目驱动、分组教学的方式，编写了适合高职教学使用的教材，搭建了实践教学平台，同时增大实践技能学习在课程中所占比例，取得了较好的教学效果。

一、项目教学，教材先导

高职光电子技术专业办学历程较短，很多专业课程没有匹配教材，只能选用本科教材。《光电探测与处理技术》课程的本科教材都是大篇幅地介绍器件工作原理，相关参数的计算等，而对于器件实际应用的内容比较少，高职学生在学习时往往感觉内容枯燥、理解困难，导致学习效果较差。

为适应职业教育的要求，笔者与教学团队的教师编写了一本适合高职教学、以实践项目为引导的项目化教学教材——《光电探测技术及应用》。教材以使用各种光电探测器件组成的实用型电路为项目，见图1，针对各个项目中使用的光电探测器件展开课程教学。

选取教材中项目二内容进行具体说明：

项目名称：光敏电阻控制的夜明灯电路

项目分析：完成光敏电阻控制的夜明灯电路，了解光敏电阻在电路中的作用及控制方法。

相关知识：光敏电阻的工作原理、检测方法、特性参数。由光敏电阻组成的其他电路及分析。

在该项目中，首先以常见的夜明灯电路为例，介绍了光敏电阻在电路中所起到的控制作用。学生通过完成该电路的制作，可掌握光敏电阻在受光照与不受光照时对整个电路起到的作用。教材中选取的实践项目都是由易到难，突出实用效果。例如，在项目二中以直流控制的夜明灯介绍到交流电控制的夜明灯，并给学生留下开发空间，如何加入声控和温控的装置改进电路。学生在完善电路的过程中，既掌握了光敏电阻的工作原理，又掌握了其使用方法，还会在使用过程中对其进行检测，参数测量，将枯燥的理论教学融入实践教学，让学生更容易接受和掌握。

目前，教学团队还在开发与本教材配套的实践平台，将一些常见的电路集成化、模块化，让学生能够用最短的时间掌握器件使用方法，并且能够在该平台的基础上扩展其他的功能，将课本知识融会贯通，牢固掌握。

二、分组实践，小组测评

在课堂上以具体的实践项目作为课程学习引导，可以极大限度地调动学生的学习积极性，同时也可以将枯燥的光电探测器件工作原理的知识融入各种光控电路之中。《光电探测与处理技术》这门课程本来就是研究各种光电探测器件的实用性，以实现光控制电路和光测量电路。学生就业的对口企业大多以生产光电探测器件为主，而生产制造光控制电路和光测量电路的企业则比较分散，难以从对口企业中寻找合适的实践项目。教师在教学过程中，以光控制电路和光测量电路的基础电路为起点，并要求学生在实践平台的基础上扩展电路，实现其他的功能。表1为课程教学中建议学生完成的几组拓展性课程设计项目。

这八个拓展性课程设计项目使用了常见的光电探测器件，并实现了光控、测量、机械控制、显示等实用的功能。教师在课程初期将学生进行分组，要求学生根据课内实践项目，自主选取合适的课程设计，并自主完成电路。在实践的过程中，可参考教材中光电探测器件的选取规则及特性参数，并加以应用及功能扩展。

教师在课上仅给出课程设计项目的要求及达到的效果，不提供具体的电路图和器件参数，要求小组成员自己查找相关电路并进行设计。例如，第三个项目光控自动跟踪玩具小车电路，教师仅提出电路的设计指标，要求使用光敏三极管，完成小车行进过程中循迹功能。学生在自己设计电路的过程中，根据课上内容和相关资料中的光电探测器件特性参数的列表，选取合适的材料，实现电路功能。完成课程设计项目的过程，实际上就设计了一个小型光控电路，了解光控电路的基本组成和功能。有的小组还在教师要求的基础电路上实现创新功能，如有的小组还加上了热释电器件，做出了小车避人功能等，如图2所示为学生自主完成的一个智能小车，他们发挥自己想想象力，在小车上添加了各种功能，由简单的项目中做出创新，从复杂的项目中领会新知，极大限度地调动了学生的积极性，并能够全局把握，灵活运用各种光电探测器件。

由于现在课程教学仍然实行的是大班教学，教师将班级人员划分成四到五个小组，每个小组七至八名成员。每个小组每次理论课完成后要自行进行讨论，总结学到知识和遇到的问题，并由组长负责总结。课堂实践时，也是以小组为单位，每次完成相应的实践项目，并记录数据。课程设计项目由小组成员讨论，选择自己所要完成的设计项目。小组长进行分工，安排成员负责采购器件、查阅相关资料、完成电路设计及制作、检测的工作，最后以小组为单位进行总结报告。完成课内实践项目及课程设计项目必须由小组成员互相合作，每个成员必须按时完成自己的任务。

实践类项目的最终结果作为小组各个成员总评成绩的重要考核指标。每个实践类项目最终是否完成，或者是否实现全部的功能并不能作为最重要的考核标准。学生选择的课程设计项目有难有易，关键要看学生能否掌握光电探测器件的应用，是否有一定的创新与创造能力。同时，团队协作的能力也非常重要。

课程设计项目完成后，最重要的环节是要求学生以小组为单位进行讨论，并对自己完成的项目成功与否、成败关键在全班同学面前做出汇报总结。任课教师及其他小组的同学，针对其汇报内容及课程设计项目的完成情况为每个小组打分。每个小组的成员都要以背靠背的形式为自己组的成员进行评分。最终的评分成绩作为小组成员的平时成绩、实践成绩的参考依据。小组的每个成员对课程设计项目所做的贡献多少，付出多少，都会在小组互评之中得到体现。在完成课程设计项目的同时，巩固了在课堂上学习的理论知识，也锻炼了团队协作能力。

三、课程延伸，学生受益

通过课程中大量实践的锻炼，学生逐渐掌握了各种光电探测器件的应用方法，并且具备了一定的自主设计电路、制造电路的能力。有的学生将课堂上课程设计的热情延续到课后，自己在完成本组课程设计项目后，还做出了不少其他的光控电路，在日后完成毕业设计的过程中更为得心应手。图3为学生将课程中完成的智能小车进行改造，添加蓝牙无线遥控功能后的新型智能小车。在完成毕业设计的过程中，学生还自主学习了各种机械控制方法及编程语言，将本课程中并未涉及的知识，全方位的综合性进行应用。有的学生将自己完成的光控电路设计作品在自己的求职简历中进行展示，作为他们自主动手能力的佐证，这为

另外，在小组分工合作的过程中，锻炼了学生的团队协作能力，各取所长，努力完成实践项目的过程中增进了学生之间的感情，同时让他们知道自己在小组中承担的责任，这为他们将来走上工作岗位，如何与工作伙伴协作共处，打下了基础。

四、初见成效，持续改进

应该说，在项目化的教材引导下，学生能够由浅入深的接触到各种光电探测器件、光控电路、光测量电路；而分组课程设计的过程中，能够最大限度地发挥各个学生的主观能动性，将书本的内容融会贯通于各个实用的项目之中，让学生真正学会使用各种光电探测器件。课程教学的过程中，既锻炼了学生的动手能力，同时也增强了他们自主解决问题的能力，完成一个完整课程设计项目的过程也让学生收获颇丰。

光电化学技术范文第2篇

关键词 ：臭氧气体分析仪 检测原理 应用

Abstract ：Ozone gas analyzer is used to measure the concentration of ozone in the air or other gas.The detection principle of ozone gas analyzer includes ultraviolet absorption principle，the principle of semiconductor gas sensors，electrochemical sensor principle and chemical stain principle.

key words ：Ozone Gas Analyzers；Detection Principle；Application

1.引言

臭氧气体分析仪主要应用于臭氧制备车间、化工、造纸、制药和香精香料工业、水处理、食品医药灭菌车间等场合 。这里对臭氧气体分析仪的四种检测原理进行了阐述，并且对其适用场合进行了简单的说明。

2.臭氧气体分析仪检测原理

臭氧气体分析仪根据不同的检测原理一般可以分为以下四种。

2.1紫外吸收原理[1]

研究表明臭氧仅对波长253.7nm的紫外线具有最大吸收系数，在此波长下紫外线通过臭氧会产生衰减，符合Lambert-Beer定律。采用紫外吸收原理的臭氧气体分析仪，用稳定的紫外灯光源产生紫外线，光波过滤器过滤掉其它波长紫外光，只允许253.7nm的紫外线通过，经过样品光电传感器后，再经过臭氧吸收池，

到达采样光电传感器。最后通过样品光电传感器和采样光电传感器电信号比较，根据Lambert-Beer定律进行数学模型计算，从而得出臭氧浓度大小。

2.2半导体气敏传感器原理

半导体气敏传感器是利用半导体气敏元件同气体接触后，造成半导体性质的变化来检测特定气体的成分或者测量其浓度。

半导体气敏传感器的臭氧气体分析仪利用气敏半导体材料，如WO3、SnO、In2O3等金属氧化物制成敏感元件，当它们吸收臭氧时，发生氧化还原反应，产生或放出热量，使元件的温度相应变化，从而电阻发生变化，将臭氧的浓度变换成电信号，进行臭氧浓度的测量。一般情况，随着气体的浓度增加，元件阻值明显增大，在一定范围内，呈线性关系。

2.3电化学传感器原理

电化学传感器即是一微型燃料电池。传感器一般由工作电极、对电极、参比电极、电解液和电路系统等部件构成。工作电极和参比电极之间能保持一个恒定的电位值，当臭氧扩散进入传感器时，在工作电极发生还原反应，对电极发生氧化反应，对电极和工作电极之间形成微小的电流，此电流与进入传感器的臭氧浓度一定范围内成正比，最后通过电路系统处理，计算出臭氧含量[2]。

2.4化学变色原理

国际公认化学变色原理即碘化钾、硫代硫酸钠滴定法来检测臭氧浓度[3]。碘化钾滴定法原理是用强氧化剂臭氧与碘化钾反应，使碘在水里游离出来，水就会变为茶色（反应式：O3+2KI+H2OO2+I2+2KOH）。利用硫代硫酸钠标准液滴定，使游离碘变为碘化钠，反应终点为水完全褪色（反应式：I2+2Na2S2O3 2NaI+Na2S4O6）。臭氧浓度的计算Co3=（ANa×B×24000）/V0（mg/L），其中：Co3为臭氧的浓度，mg/L；ANa为硫代硫酸钠标准溶液用量，mL；B为硫代硫酸钠标准溶液浓度，mol/L；V0为臭氧化气体取样体积，mL。

3.臭氧气体分析仪的应用

紫外吸收原理的臭氧气体分析仪具有自动校正、自动运行的功能且具有灵敏度高、重复性好、测量精准等优点，被广泛应用于环境监测、科研分析和计量标准等；半导体气敏传感器原理的臭氧气体分析仪具有成本低廉、灵敏度高、响应速度快等优点和对气体的选择性差、稳定性不理想等缺点，多用于家庭和大气环境中的探测；电化学传感器原理的臭氧气体分析仪体积小、响应快、选择性好和测量准确稳定，多用于化工厂、污染治理的臭氧泄漏或者现场在线监控，目前便携式的臭氧检测仪器普遍采用电化学传感器；化学变色原理检测臭氧测量范围广，高浓度测量准确度高，在臭氧浓度大于等于3 mg/L时，精度可达到±1%，然而受环境、人员等干扰因素的影响，一般在实验室里进行。

参考文献：

[1]王卫，李荣超，杨丽娟，张波. 臭氧检测仪的研制. 中国仪器仪表，2005，（05）：50-52

[2]储金宇，吴春笃，陈万金，等. 臭氧技术及应用[M]. 北京：化学工业出版社，

2002：195-196

[3]刘小真，梁越，汪月华. 高浓度臭氧分析方法的探讨. 环境与健康杂志，2011，

（01）：68-69

光电化学技术范文第3篇

尿酸是核蛋白和核酸的代谢产物’人体内尿酸过量是许多疾病的征兆’如痛风、肾功能衰竭、心血管疾病等，故人体内尿酸的检测在临床诊断方面有着重要意义。目前,测定尿酸的方法主要有色谱法、分光光度法、荧光法、化学发光法、电化学法等。

电化学发光因其设备简单、灵敏度高、适用范围广等特点而备受关注。但是目前利用电化学发光法测定尿酸的方法较少。近年来,通过将发光试剂固定在电极表面制备得到固相电化学发光传感器’这样既节约了昂贵的发光试剂，又提高了灵敏度,拓宽了电化学发光法在分析化学中的应用。溶胶-凝胶膜法和Nafon/MCNT是目前应用最多的固定化技术，但是溶胶-凝胶法制备的电化学发光传感器稳定性较差。利用二氧化硅微球包埋联吡啶钌，可以改善Si02溶胶-凝胶法固定联吡啶钌传感器的稳定性。壳聚糖分子中含有丰富的游离氨基和羟基,具有良好的吸附能力、导电能力和生物相容性,是电化学发光传感器中较优良的材料。

本研究利用反相微乳液法制备得到壳聚糖-Ru(bpyg+-Si02复合纳米粒子（CRuSNPs)，带正电荷的CRuSNPs与带负电荷的Nafion通过静电作用自组装固定于玻碳电极表面，制备了电化学发光传感器。此传感器具有良好的稳定性和重现性，用于尿酸的免标记检测，结果令人满意。与临床上测定尿酸的方法相比’本方法简单、试剂用样量少、选择性好。

2实验部分

2.1仪器与试剂

MPI-E型电致化学发光分析系统（西安瑞迈电子科技有限公司），Zennium电化学工作站（德国Zah-ner公司），UV-1600PC紫外-可见分光光度计（中国上海美谱达仪器有限公司），F-4600荧光分光光度计(日本日立公司），RT5POWER电磁搅拌机（德国IKA公司），WF-300D超声波清洗机（宁波海曙五方超声设备有限公司），TDL-802B型离心机（上海安亭科学仪器厂），PT-RO10L实验室超纯水设备（上海品拓环保工程设备有限公司）。三电极系统:工作电极为裸玻碳电极或修饰电极,Pt丝为对电极,Ag/AgCl(饱和KCl溶液）为参比电极。

多壁碳纳米管（MCNT,中国科学院成都有机化学有限公司，>7.5%,7?15nmX0.5?10pm.);壳聚糖（於呢=60000~120000g/mol，乙酷化度在40mol%)、三联吡啶钉、Nafion117、正硅酸乙酉旨、TritonX-100、正己醇、环己烷均购于Sigma公司；尿酸（天津市华东试剂厂）；其余试剂均为分析纯。

0.5%壳聚糖溶液由1%冰醋酸溶液配制而成。0.01mol^LRu(bpy)3+由0.1mol/LPBS溶液(pH7.4)配制而成。Nafion/MCNT的配制：准确称取0.05g碳纳米管分散于60mL2.2mol/LHNO3中，超声30min后，室温放置20h，然后用超纯水洗至中性，在37°C烘箱中烘干。准确称取纯化后的碳纳米管1.5mg于4mL离心管中，加人30|xL0.05%Nafion2.97mL无水乙醇摇勻。实验用水为超纯水。2.2CRuSNPs的制备

分别取7.5mL环己烷、1.8mLTrionX-100和正己醇混合，加人300^L超纯水为分散相，搅拌0.5h后，依次加人50吣0.01moL/L三联吡啶钌和150^L0.5%壳聚糖溶液形成稳定的油包水结构，并加人适量NaOH溶液，将体系调为中性，然后持续搅拌1h，依次加人90^L正硅酸乙酯、60^L氨水，再持续搅拌24h，反应完全后，加人6mL丙酮破乳，离心收集复合纳米粒子，然后分别以乙醇、超纯水超声离心，吸取上清液得复合纳米粒子，最终将其分散在NaAc-HAc缓冲溶液（pH5.0)中，2°C保存。

2.3电化学发光传感器的制备

将玻碳电极（直径2mm)在0.05pmA^Og抛光粉上打磨光亮，分别在HNOg(1:1，K/K)，乙醇（1:1，V/V)，超纯水中超声3min，干燥后。取10^LNafion/MCNT混合液滴加于干净的玻碳电极表面，自然晾干。将修饰好的电极插人200^L均匀的CRuSNPs溶液中30min，CRuSNPs复合纳米粒子通过静电吸附随时间逐渐自组装于Nafion/MCNT电极表面，随后用0.01mol/LPBS(pH7.4)冲洗电极，去除非特异性吸附的CRuSNPs纳米粒子，随后，用循环伏安技术将CRuSNPs/Nafion/MCNT电极在0.9?1.4V的电位窗口下扫描至稳定，除去电极表面多余的Ru(bpy)3；+，最终可制得电化学发光传感器。图1为电化学发光传感器的原理图。

2.4实验方法

以CRuNPs/Nafion/MCNT/GCE修饰电极为工作电极，当电解池中的尿酸与修饰电极作用15min后，在~0.2?1.4V范围内进行循环伏安扫描，扫描速率为100mV/s，介质为0.10mol/LPBS缓冲溶液(含50mmol/LTPA，pH7.4)，光电倍增管负高压为800V，记录电化学发光信号，通过电化学发光强度值对尿酸进行定量分析，所有实验均在室温下进行，所有电位值均相对于Ag/AgCl参比电极。

3结果与讨论

3.1CRuSNPs的表征

对合成的CRuSNPs进行了TEM表征（图2)，由图2可知，所制备的纳米颗粒的平均直径为50nm且分散效果较好。CRuSNPs的紫外和荧光光谱图见图3。由图3A可知，合成的CRuSNPs复合纳米粒子与游离态的Ru(bpy)23+紫外吸收光谱形状相同，可知CRuSNPs在水溶液中具有很好的分散性。由图3B可知，在458nm激发波长下，游离态的Ru(bpy)〗+最大发射波长为596nm，而CRuSNPs的最大发射波长较Ru(bpy)]+蓝移了17nm，这可能是因为CRuSNPs溶液中的SiO-基团与Ru(bpy)〗+之间的静电吸附使得Ru(bpy)2/被束缚在SiO〗纳米粒子内部，致使CRuSNPs在溶液中时，很少与周围的水分子相互作用，显示出荧光发射波长相对较短[18]。

3.2传感器的电化学及电化学发光行为

实验对不同电极表面进行了电化学及电化学发光行为进行研究。由不同电极在0.1mol/LPBS(pH7.4)中循环伏安图（图4A)可见，Nafion/MCNT修饰电极（曲线b)的电流强于裸玻碳电极(曲线a)，这是因为MCNT具有较强的导电性，说明Nafion/MCNT已修饰于玻碳电极上，而CRuSNPs/Nafion/MCNT修饰电极（曲线c)的电流强于Nafion/MCNT修饰电极（曲线b)，这是因为CRuSNPs纳米粒子具有较大的比表面积，电子传导能力增强，且由曲线c还可看出，在+1.1V处出现可逆的氧化还原峰，这正是Ru(bpy)3+的特征峰，说明CRuSNPs已成功修饰于Nafion/MCNT上。

由不同电极在50mmoL/LTPA(0.1moL/LPBS，pH7.4)中的电化学发光图（图4B)可知，裸电极（曲线a)和Nafion/MCNT修饰电极（曲线b)几乎不发光，但将CRuSNPs纳米粒子固定在Nafion/MCNT修饰电极上时，出现明显的发光现象（曲线c)，这表明CRuSNPs已很好地固定在Nafion/MCNT电极表面，从而显示出良好的电化学发光行为。

稳定性和重现性对于构建可重复使用的修饰电极至关重要。由CRuSNPs/Nafion/MCNT修饰电极连续扫描电化学发光图（图4C)可见，Nafion/MCNT与CRuSNPs混合膜修饰电极在连续扫描10圈的过程中，电化学发光信号非常稳定。

3.3尿酸在CRuSNPs/Nafion/MCNT修饰电极上的电化学发光行为

考察了尿酸在CRuSNPs/Nafion/MCNT修饰电极上的电化学发光行为。如图5所示，当在0.10moVLPBS(含50mmoVLTPA，pH7.4)中加入1.0X10-7moVL尿酸时，电化学发光强度降低，证 明尿酸对CRuSNPs/Nafion/MCNT修饰电极上Ru(bpy)23+的电化学发光有抑制作用。众所周知，对于Ru(bpy)2+-TPA电化学发光体系，Ru(bpy)〗+被电氧化为Ru(bpy)3+，而TPA被电氧化为TprA-+，从而形成TprA-自由基，Ru(bpy)33+和TprA-反应得到Ru(bpy)2+#，Ru(bpy)2+#从激发态返回至基态便产生电化学发光。尿酸对该电化学发光体系的猝灭原因可能是由于尿酸的加入，消耗了部分Ru(bpy)3/所致。

3.4实验条件的选择

CRuNPs中的羟基能与尿酸中的胺基形成氢键，故CRuNPs/Nafion/MCNT/GCE修饰电极与尿酸的作用时间及体系的pH值均对电化学发光强度有一定的影响。由图6可知，随着反应时间延长，电化学发光信号逐渐降低，到15min时发光强度趋于平稳，再继续延长结合时间，响应信号几乎不变。这表明15min时即可达到猝灭最大程度，因此选择15min作为反应时间。实验考察了1.0X10-7mol/L尿酸在pH5.8?8.0范围内的电化学发光现象。结果表明，随着pH值增大，抑制效果先增大后减小，当pH=7.4时，抑制效果最大。因此选择pH7.4的缓冲溶液进行后续实验。

3.5干扰实验

在最佳实验条件下，当尿酸浓度为1.0X10-7mol/L，相对误差不超过±5%时，1000倍的K+，Na+，Fe2+，Zn2+，Ca2+，Mg2+，Cl-；500倍的葡萄糖、尿素、蔗糖；100倍的L-谷氨酸、L-赖氨酸、羟脯氨酸、抗坏血酸不干扰测定；50倍的草酸干扰测定，实验采取加入Ca2+消除干扰。

3.6传感器对尿酸的电化学发光响应

在优化实验条件下，按实验方法测定不同浓度尿酸电化学发光强度并绘制工作曲线（图7)。电化学发光强度和尿酸浓度（1.0x10-10?1.0x10_5mol/L)的负对数呈良好的线性关系，线性方程为:1ECL=-709.52-202.

3.7传感器的重现性和稳定性分析

用同一支传感器对1.0X10-8mol/L尿酸连续测定11次，电化学发光强度相对偏差为2.9%，用同一批次的5支传感器对1.0X10-8mol/L尿酸进行测定，电化学发光强度相对偏差为3.1%，说明此传感器有较好的重现性。为考察传感器的稳定性，使传感器吸附1.0X10-8mo^L尿酸溶液后，置于4T下保存，定期测定电化学发光信号值。14天内，电化学发光强度几乎不变，说明传感器的稳定性较好。

    3.8样品测定

取3份新鲜尿液0.5mL于50mL容量瓶中，加人1.00mL0.01mol/LCaCl2以除去C2O〗，用高纯水定容，再将该溶液稀释1000倍，以此为分析样品，按照实验方法进行测定，同时，进行加标回收实验，测定结果见表1。加标回收率为98.5%?103.5%，RSD为2.3%?3.1%，表明本方法可用于实际样品的测定。

表1尿液样品分析及回收率实验

光电化学技术范文第4篇

作为开创了手性大分子全新领域的手性导电高分子聚合物，对科学研究者产生了极大的吸引力。手性导电高分子聚合物的优点在于：1、导电性能佳；2、在溶液里，能提现其良好的承受PH值发生转变的能力；3、在溶液里，具有出色的氧化还原性；4、良好的手性选择性；5、优秀的分子识别能力。这些能力使其将来会在电化学开关、手性色谱、手性化学传感器、膜层析技术及表面修饰电极等领域得到广泛发展。手性分子在自然界中存在广泛，天然氨基酸、简单糖类等很多重要的生物药剂，都是手性分子，最引人重视的是某种旋光对映异构体，是它们唯一存在的结构。手型结构广泛存在与生物大分子中，在生命系统中兼具着十分重要的职能，例如普遍存在于重要生物聚合物（DNA、核苷酸、蛋白质）等螺旋状的手性，手性控制更是药物试验中一个是关键的要素，针对手性药物的设计和合成，在近几十年来都采取了大量的研究。这里重点介绍新一类手性大分子，就是手性导电高分子聚合物。

当作为手性基质或手性电极材料对具备手性的导电有机高分子聚合物进行使用时，后者一些诸如独特的力学、电学和电化学特性会在使用过程中被表现出来。利用能被聚合物骨架官能团吸附的特性，微粒、动植物体内的薄膜与纳米纤维等都可以运用它们制作，应用这些功能，可以在特定分子的识别、提纯开展上开拓更广阔的空间。

二、手性导电高分子聚合物的发展

Baughman等在1985年就提出，具有单一旋光性的纯取代基或并到聚合物链上的手性掺杂阴离子可以诱导共轭导电聚合物的π-π*吸收带上的光学活性。前一种路径主要应用在合成一系列的手性聚吡咯及手性聚噻吩上，后者对于合成手性聚苯胺有很高的成功率。随着对手性导电高分子聚合物研究的进一步加深，更多的有效的手性导电高分子聚合物合成路径被研究者们报道出来。这些路径在手性导电高分子聚合物合成领域做出极大的贡献。

1.手性聚苯胺

手性聚苯胺作为一种特殊的导电聚合物，在电化学不对称合成、手性拆分和电磁功能材料等方面有着良好的应用前景。

合成手性聚苯胺的方法中，日常应用比较广的有电化学聚合法及二次掺杂法。

二次掺杂法合成手性聚苯胺的原理是基于手性掺杂离子的加入来增长聚苯胺链或预合成聚苯胺链。此类方法不能够用于合成聚吡咯及聚噻吩。

电化学聚合法的作用机理是通过电极形成的电位差作为引发和反应聚合反应的驱动力，在适当的电化学条件下，苯胺在阳极上发生氧化聚合反应，聚苯胺粉末就会粘附在电极表面薄膜或者沉积在电极表面，利用这种方式，就可以获得聚苯胺。研究发现，调节电极电位可以令手性聚苯胺的旋光性产生变化，调整反应温度还可以改变聚苯胺主链构型。

要生成单一螺旋链构型的导电聚苯胺膜必须在左（或右）旋樟脑磺酸根离子存在的环境下对映体选择电聚合。此薄膜出现强烈的圆二色性，左旋、右旋偏振光的吸收系数差值在445nm时达到0.16mol/c㎡。原子空间排列的稳定剂，可以使用聚苯乙烯磺酸来充当，同时掺杂右（或左）旋樟脑磺酸，电化学聚合法可以用于手性聚苯胺胶体的制备，而且采取恒电位法也是适用的。同时，在掺杂过程里，为了诱导聚苯胺主链对映体选择重排，可以利用手性樟脑磺酸采取单一螺旋构型的方式，使得聚苯胺胶体具有旋光性。

手性聚苯胺的结构及性能对于电化学聚合过程电位的高低很敏感。聚苯胺链和对映体选择掺杂剂间的静电力和氢键作用使得聚合物链优先采取单向螺旋构型，因此，手性诱导剂樟脑磺酸的浓度是决定螺旋构型成长速率的关键。

此外，不同电极上苯胺聚合的初始氧化电位不同，假如电位定于初始氧化电位低时，在电聚合前就有一个明显的孵化期，电位越低，孵化期越长，低聚物于孵化期慢慢生成。导电基底不同，孵化时间亦不同。减少或消除孵化期，可以通过调整电位进行。

利用电化学聚合法合成手性聚苯胺过程中，温度的改变也促使聚苯胺主链螺旋型构型的变化，所以，电化学沉积温度对PANI·（+）-HCSA的手性具有中有影响。

手性导电聚苯胺具备很多优秀独特的性能，除了催化性能、电性能、电致显色性能、电磁屏蔽以及吸波等，还具有旋光性。独特的掺杂可逆特性让手性导电聚苯胺在生物传感器、手性识别等方面具有很大的潜在应用前景。手性导电聚苯胺扩展了聚苯胺的应用，磁屏蔽及吸波性能等，让手性导电聚苯胺有望在制备电磁低损耗、质轻、宽频的吸波材料上得到很好的应用。

2.手性聚吡咯

手性吡咯高分子聚合物被Baughman等在1985年通过聚吡咯单体的电聚合首次将手性取代基工价结合到吡咯的氮上而诞生，在波摊点机上沉积的稳定聚吡咯，它的循环二色谱特征很明显。随后运用电聚合，研究者们成功的合成了3-取代吡咯环单体。新合成的取代吡咯聚合物对比于未取代的来说，导电性较低。取代基体积过大，致使聚合物链扭曲，可能是导致其导电性的主因。

手性聚吡咯可用于生物、离子检测、超电容及防静电材料及光电化学电池的修饰电极、蓄电池的电极材料。此外，还可以作为电磁屏蔽材料和气体分离膜材料，用于电解电容、电催化、导电聚合物复合材料等，应用范围很广。

3.手性聚噻吩

类似芳香环的结构令手性聚噻吩具有很好的环境稳定性，合成方便，掺杂后拥有很高的导电性和发光性，这些都使它备受人们关注。作为高分子材料，聚噻吩尺寸极小，具有丰富的潜在功能，导电能力调控范围包括绝缘到接近金属内，而且，经过加工后还可以让材料获得电学、光学和力学等特性。

单体的化学、电化学的氧化是合成具有光学活性的手性聚噻吩的最常用方法，这次单体都是噻吩环3位取代手性产物。噻吩不溶于水的特性，令其氧化反应多在溶液中发生。近来手性晶体排列的聚噻吩很多都是利用在胆固醇结构晶体排列的溶剂中非手性噻吩的电化学合成的，或者利用带有晶体排列的侧基的聚合合成。生物聚合和金属离子作侧链的聚噻吩的络合也是被应用的。

参考文献

[1]杨丰科，曹伟丽，李金芝，手性导电高分子聚合物的研究进展，材料导报，2011（25）

光电化学技术范文第5篇

生物传感器是由生物活性单元(如酶、抗体、蛋白质、核酸和细胞等)和信号转换器组成并利用生物识别原理来进行检测的一种装置［1］。它是一种由生物、化学、物理、医学和电子技术等多种学科互相渗透成长起来的高新技术，具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低、在复杂的体系中进行在线连续监测，及其易于自动化、微型化与集成化的特点。特别是近年来分子生物学、微电子学、光电子学、微细加工技术及纳米技术等新学科和新技术的进展，使生物传感器的研究蓬勃发展，成为新兴的高技术产业的重要组成部分。根据分子识别元件与待测物结合的性质可将生物传感器分为生物催化型(代谢型)和生物亲和型(受体型)。生物亲和型传感器是利用分子间特异的亲和性，即生物活性物质对底物的亲和或键合作用而建立起来的，如免疫传感器、受体传感器和DNA传感器等。根据生物反应产生信息的物理或化学性质，可采用电化学、光谱、热、压电和表面声波等技术进行检测［1］。本文按照传感信号方式的不同，对近年来亲和型生物传感器在生物医学上的进展予以综述。

1免疫传感器

癌症是人类健康的杀手，是否能较早诊断出癌症的前期征兆是影响癌症患者恢复的关键因素。众所周知，在肿瘤发展的过程中，肿瘤组织或细胞会释放出一些特异性的蛋白质进入循环体系，而这些特异性蛋白在血液中的含量水平标志着肿瘤发展的阶段，所以在生物医学上常将这些特异性蛋白称为肿瘤标记物。临床医学上常将这些肿瘤标记物的检测作为临床检验和诊断的重要依据［1］。生物化学、酶联免疫和分子生物学等多种方法已用于肿瘤标记物的检测，虽然这些方法具有较高的选择性、准确度，但是存在辐射威胁、耗时和费用较高等缺点。由于免疫传感器结合了免疫反应的特异性分子识别和便利的检测技术而得到研究者的普遍关注，故开发快速而准确的肿瘤标记物的免疫传感器成为生物医学检测的研究热点。肿瘤标记物一般分为以下几类:酶、糖蛋白、粘糖蛋白、激素、免疫分子和癌基因等。临床医学实践表明，甲胎蛋白(AFP)、降血钙素(CT)、癌胚抗原(CEA)、人绒毛膜促性腺素(hCG)、前列腺特异抗原(PSA)、鳞状上皮细胞抗原(SCCA)、神经元特异性烯醇酶(NSE)和CA(CarcinomaAntigen)等均是典型的肿瘤标记物［1］。如肠癌的肿瘤标记物为CEA、CA19-9和CA24-2;前列腺癌的肿瘤标记物为F-PSA、PSA和PAP。按照免疫传感器检测信号的不同，可分为电化学型、光学型和质量敏感型等。

1．1电化学免疫传感器

电化学免疫传感器可再分为电位型、电容型和电流型。电位型传感器在免疫传感中应用不多。梁茹萍等［2］利用戊二醛交联CA15-3抗体的电位型免疫传感器用于乳腺癌CA15-3的检测，获得了良好的检出限(5U/mL)和稳定性(30d)。Fu等［3］制备了40nm的氧化铁纳米柱修饰碳糊电极，用于固定CEA建立了测定CEA的电位型免疫传感器。其线性范围为1.5～80μg/L，检出限为0.9μg/L。对临床血液样本的检测结果与酶联免疫法相符合。Zhou等［4］将纳米金吸附在溶于PVC的邻苯二胺的氨基上，制备了一种增塑的PVC膜的电位传感器用于α-AFP的检测。该传感器的响应时间短(4min)、检出限低(1.6μg/L)。但电位型免疫传感器的不足之处在于:信噪比较低，线性范围窄，非特异性抗体-抗原作用及背景信号较高。电容型免疫传感器是一种高灵敏非标记型免疫传感技术。在电容型免疫传感器的制作中，传感界面的构建和生物识别层的固定是影响其性能的重要因素。可采用半导体氧化物膜、自组装单分子膜、电聚合膜、溶胶凝胶膜和等离子体聚合膜等来构建电容型免疫传感器。Fernandez-Sanchez等［5］研制了可以用于检测PSA的免疫传感器。他们将对pH敏感的聚合物附着在电化学传感器的表面，用于快速而灵敏地检测亲和反应过程中的电容及阻抗变化，实现了对PSA的灵敏检测。Quershi等［6］在纳米晶钻(NCD)-interdigitatedgold(GID)电极表面固载抗体，进而通过电容法测定心血管标记物CRP。结果表明，电容器的灵敏度表现在两个方面，一是当抗体与抗原结合后，极化常数和弛豫时间常数明显增大，二是传感器的灵敏度与抗体浓度及施加频率紧密相关。袁若等［7］报道了一种在玻碳电极表面修饰金纳米粒子，进而吸附CEA抗体，用铁探针离子的阻抗特性来检测CEA，获得了良好的检出限和灵敏度。

Rajesh等［8］在ITO修饰电极上利用自组装膜固定α-CRP，利用电化学阻抗法检测α-CRP抗体与抗原的亲和作用，其检出限达到3.5μg/L。由于电容法和阻抗法可以获取直接、非标记的亲和信号，所以在临床诊断上具有良好的发展前景。但电容法存在的问题在于响应电容易受到非特异性吸附的影响，其重现性不如法拉第阻抗法与伏安法。所以如何优化传感界面，改善响应电容的重现性和稳定性仍是电容型免疫传感器发展中的关键问题。电流型免疫传感器备受研究者的关注。由于大多数待测物不能直接参与电化学反应，常采用加入电子媒介体和标记酶来催化底物转化为电活性物质来制备传感器。虽然加入电子媒介体会降低检出限，但其分离和洗涤步骤限制了它在生物医学上的广泛应用。而基于标记酶的直接电子传递的免疫传感器则简化了分离和洗涤步骤，在生物医学上的应用更有吸引力。鞠幌先研究组曾对肿瘤标记物的电流型传感器进行了深入的研究［9-12］。如将硫堇和HRP标记的CEA抗体通过戊二醛交联在电极表面，制成了一种具有良好稳定性的传感器。该传感器减少了加入电子媒介体的麻烦，并且不需乳化和洗涤，线性范围为0.5～3.0和3.0～167μg/L，检出限为0.1μg/L，重现性良好［10］。他们还研究了基于HRP的直接电子传递的免疫CEA传感器，对CEA的检出限为0.3μg/L，并将实际样品的检测结果与临床检测方法相比照，获得了满意的结果［12］。除此之外，研究人员还结合纳米粒子的电子传导、丝网印刷技术、微流控装置、毛细管电泳和流动注射等技术对肿瘤标记物的检测进行了研究。

Jin等［13］结合毛细管电泳和电化学检测技术，对肿瘤标记物CA125进行了检测。Kojima等［14］设计了一种包含36个Pt微电极的阵列，运用不同的抗体来捕获肿瘤标记抗原，采用电化学免疫检测技术实现了多标记物的同时检测。Wilson等［15］采用双电极的免疫传感器同时采用安培法测定了CEA和AFP，获得了1μg/L的低检出限，并有效抑制了交叉干扰。研究表明，这些新技术在免疫传感器中的引入，不仅降低了待测物的检出限，而且可以有效降低共存物质的干扰，并可实现多通道同时检测多种肿瘤标记物。由于纳米材料的独特性质，使其在实时、灵敏检测标记物方面具有广泛的应用前景。如Zheng等［16］利用抗体功能化的二氧化硅纳米线制备了一种新型传感器，用于在血浆中的癌症标记物的非标记实时监测。Ramanathan等［17］和Willner等［18］曾报道利用聚合物纳米线和碳纳米管进行相关生物亲和体系内标记物的检测。Wu等［19］将CEA/纳米金通过壳聚糖固定在丝网印刷电极上，结合流动注射法建立了一种快速而方便的CEA电化学免疫传感器，CEA检测的线性范围为0.50～25μg/L，检出限为0.22μg/L。该传感器通过流动注射HRP-anti-CEA，故可以控制乳化时间，并易于自动化。Wang等［20］将聚鸟嘌呤功能化的二氧化硅纳米粒子标记坏疽抗体的夹心型传感器用于坏疽因子的电化学测定，可直接用于生物样品中坏疽因子的检测，检出限为2.0pmol/L。Chen等［21］在玻碳电极表面气相沉积纳米金/硅溶胶，将HRP功能化的hCG抗体固定于其上，建立了一种无试剂的电化学免疫传感器用于hCG的灵敏检测，其检出限为0.3mIU/mL。Wang等［1］对近年来功能化碳纳米管在肿瘤标记物上的应用进行了综述。#p#分页标题#e#

1．2光学免疫传感器

由于光学免疫传感器具有非破坏性操作、快速获取信号及使用可见光辐射等优势，故在肿瘤标记物的检测中占有重要地位。根据其检测原理，光学免疫传感器可分为荧光、化学发光和表面等离子体共振等类型。近年来，荧光检测在临床诊断和检测中获得了很大的进展。Nakamura等［35］结合流动注射系统和阳离子交换树脂毛细管柱制备了hCG免疫传感器。利用离子交换柱来分离FITC-IgG和FITC-IgG抗体，然后利用荧光检测hCG，其线性范围为25～1500mIU/mL。Yan等［36］将免疫亲和反应柱与流动注射体系相连接，然后通过时间分辨荧光免疫检测法进行CEA的测定(如图1所示)。纳米材料特别是量子点的引入，使荧光型生物传感器的发展尤为引人瞩目，Zhong［37］对近年来基于荧光生物传感中纳米材料的应用进行了综述。Hong等［38］对纳米金、溶剂对荧光团的荧光效应进行了比较研究，发现纳米金试剂的荧光增强效应可以使肿瘤标记物的检出限降低10倍，并且对心血管标记物CRP的检出限可低至数10pmol。化学发光免疫传感器多采用直接化学发光、化学发光基底标记和酶标记等3种技术。但大多数化学发光免疫传感器是利用酶增大检测信号，并与流动注射系统相结合来提高其检测自动化性能。Ju等［39］对化学发光免疫传感器的自动化进行了较多研究，并对近年来电化学发光传感器在肿瘤标记物方面的应用进行了综述。

Jie等［40］首次以gold/silica/CdSe-CdS杂交纳米结构制备了灵敏的电化学发光生物传感器，用于测定CEA，获得了良好的效果。虽然化学发光免疫传感器的灵敏度高，选择性好，但是改善肿瘤标记物的固定化技术和传感器的微型化、集成化仍是化学发光免疫传感器的发展方向。表面等离子体共振(SPR)是利用金属膜/液面界面光的全反射来分析生物分子相互作用的一项新兴技术，生物传感芯片是SPR传感器的核心部分。它对免疫特异识别、蛋白质折叠机理、生物特异相互作用的结合位点及浓度分析上具有独特的优势，并且可以获得很低的检出限(10－13～10－9mol/L)。可实时监测生物大分子之间的相互作用及其影响因素的作用环节，成为疾病诊断和机理研究的有效工具。Chou等［41］将抗人铁蛋白单克隆抗体固定在SPR敏感的金表面，建立了人铁蛋白的SPR免疫传感器，可以测定非特异性肿瘤标记物人铁蛋白。Yu等［42］基于表面等离子体的衍射建立了hCG的免疫传感器。Corso等［43］将抗体通过自组装膜固定在金表面，建立了一种实时灵敏监测胰腺癌的肿瘤标记物间皮蛋白的声波免疫传感器，可以检测纳克级的间皮蛋白(mesothelin)。近年来，诸多研究集中在如何克服SPR传感器检测小分子灵敏度低的问题，相信随着SPR传感器在肿瘤标记物研究上的深入，其在生物医学领域的应用将更为广泛。

1．3质量型免疫传感器

石英晶体微天平(QCM)型免疫传感器由于其非标记和实时监测的特点使其在肿瘤标记物的检测中也有较多应用。Zhang等［44］制备了一种2×5模式的多通道压电QCM用于检测血液和尿液中的hCG，其检测效率高，比单通道检测的速度快8倍以上。Kim等［45］在微芯片上制备了检测心血管标记物CRP的QCM免疫传感器，对CRP的检测线性范围宽，达到0.13～25016μg/L，检出限为0.13μg/L。

1．4免疫传感器在多分析物同时检测中的应用

在医学临床诊断中，某一种非特异性肿瘤标记物的值升高并不能确诊癌症，常需要进行多个肿瘤标记物的同时检测，才能获得准确的诊断结果［1］。Matsumoto等［46］报道了一种利用时间分辨荧光免疫传感器同时测定α-AFP和CEA，他们采用Eu标记的抗AFP抗体及Sm-标记的亲和素来测定α-AFP和CEA，获得了较低的检出限，它们的检出限分别为0.07和0.3μg/L，并在实际样品的测定中获得了良好的准确度。Song等［47］用微分析系统荧光免疫传感器同时测定了CEA、AFP、β-HCG、CA125、CA19-9和CA15-3，均获得了较宽的线性范围，对于CEA、AFP、β-HCG为0～640μg/L，对于CA125、CA19-9和CA15-3为0～1280μg/L。Kojima等［14］将捕获抗体固定在双层硅氧烷层中，制备了微蛋白质芯片用于AFP和β2-微球蛋白的电化学免疫检测，由于采用了夹心型的结构，有效降低了酶催化产物的扩散而获得较高的灵敏度。Wu等［48］用醋酸纤维素共固定硫堇和2种抗原于丝网印刷芯片的碳电极上，用于CA19-9和CA125的电化学免疫测定，其检出限分别为0.2和0.4U/mL。Fu等［49］采用双通道体系化学发光免疫同时检测α-AFP和CEA，对α-AFP和CEA的检出限分别达到1.5和0.25μg/L。Wilson等［50-52］将微芯片技术与电化学免疫结合，分别进行了CEA、AFP，4种不同的蛋白质及7种肿瘤标记物的同时检测。他们采用多个IrOx传感器来降低酶催化产物的扩散，进而在电极上获得良好的电化学响应，并获得了较低的检出限。Qureshi等［53］利用GID电极电容法同时检测抗CRP、α-TNF和IL6，其检测范围为25pg/mL～25ng/mL，为心血管患者提供了良好的前期诊断。能同时检测多个肿瘤标记物的免疫传感器及微流控芯片系统的应用，在癌症的预期诊断方面是现今重点发展的方向。

2适体生物传感器

核酸适体是一种能够与蛋白质、小分子、离子、核酸、甚至整个细胞等目标分子结合，通过指数富集的配位系统进化技术(SELEX)经体外筛选的人工合成寡聚核苷酸或肽分子。适配体还具有分子量小、易体外合成和修饰、化学稳定性好等优点，常被称为“化学抗体”，故一经出现便成为化学工作者用于分子识别和靶标物检测研究的得力工具，为生物分析方法和传感器的设计开辟了新的思路［54］。核酸适体可形成一些稳定的三维空间结构，如发夹、假结、凸环和G-四链体等结构。分子识别时，在目标分析物诱导下单链核酸适体会折叠成特殊的二级结构。常见的适体与靶体之间的作用有单位点结合和双位点结合(夹心型)2种。研究表明，适配体的结构稍有差异，则靶分子与其结合就受到阻碍［54］。显然，适体的这些特点对于发展高灵敏、高选择性和快速高通量的靶标分子分析检测十分重要，并日渐成为分析化学领域的研究和应用热点。研究人员已经成功地创建了大量基于核酸适体的分析新方法，包括电化学法、荧光、比色法、压电和SPR等［55-57］。

2．1电化学适体传感器

电化学适体传感器集合了核酸适体和电化学传感器的优势，成为近年来的一个研究热点。在阻抗型电化学适体传感器中，适体的固定化程序至关重要。通常有混合自组装膜和在自组装膜上共价固定等几种方法。Wang等［58］首次报道了识别诱导表面电荷转换的FIS适体传感器。结果表明，如果体系pH低于目标蛋白pI，则蛋白质的识别将扭转表面电荷状态，促进电子转移，因而会降低电荷转移阻抗。Liao等［59］将适体固定在硅电极表面，用于检测神经炎细胞因子PDGF，建立了一种无试剂的阻抗生物传感器，其检出限达到40nmol/L。Kwon等［60］以抗血管内皮生长因子(VEGF)适体与羧基聚吡咯纳米管构建了场效应晶体管用以测定VEGF，其检出限为400fmol/L，可用于实时检测VEGF。当核酸适体与特定的蛋白质结合时，有典型的构型变换，而抗体则没有这样的性质，利用这个性质可以设计构型变换型适体传感器。通常，将适体信标的一端修饰官能团用于电极表面的固定化，另一端修饰电活性标记物来产生电信号。电信号的大小是由活性标记物与电极表面之间的距离决定的。Xiao等［61］将亚甲蓝标记的抗凝血酶适体固定在电极表面，制备了一种基于电化学开关效应测定凝血酶的生物传感器(如图3A所示)，但该种传感器在靶分子与适体结合后信号减小。为了克服这个问题，Radi等［62-63］设计了另一种开关装置用于凝血酶的测定(图3B)。由于四链体的形成，二茂铁与电极之间的距离大大减小而显示出电化学信号。#p#分页标题#e#

由于适体的刚性较差，所以存在较大的背景信号，降低了信噪比和检出限。Zuo等［64］将二茂铁功能化的抗ATP适体固定在电极表面，在ATP存在下，互补序列解离而与ATP结合成三维的刚性结构，进而二茂铁与电极表面发生电子传递，显示出开关的作用，ATP的检测范围较宽(10nmol/L～1mmol/L)并具有高的灵敏度(图3C)。Fan等［65］将3'-端连有羧基二茂铁的发卡式结构DNA探针通过5'-巯基固定在金电极上，根据标记物杂交前后与电极表面距离的变化进行电化学检测，对目标DNA的检出限达到1.0×10－11mol/L。他们将该方法应用于PCR扩增产物的研究，该方法具有PCR扩增产物无需后续纯化、快速检测的优点。Chu等［66］提出了基于免疫-RCA的适体电化学传感器用于PDGF-BB的超灵敏检测。在电极表面形成抗体-PDGF-BB-适体-引物复合体这样的三明治结构后，引入一种与引物结合的“C”型挂锁探针。该方法结合了滚环扩增和酶催化两步放大，实现了PDGF的超灵敏检测，下限可达10fmol/L。Huang等［67］采用类似原理将PDGF-BB采用抗体和适体-引物捕获到电极表面，通过嵌入MB产生电化学响应，其检测限为18pg/mL。这种基于靶分子的结合而引起构型变换的电化学传感器，提供了一种无试剂、再生和灵敏的方法用于复杂样品中目标分析物的检测。一些平面分子如亚甲蓝、Ru(NH3)3+6、功能化二茂铁等也可以插入双链DNA中并经DNA碱基对π堆积实现电子转移而被氧化，进而利用特异性序列与蛋白质的作用进行电化学检测。Jin等［68］利用5'-SH的发卡式结构探针固定于金电极表面，用亚甲基兰为杂交指示剂检测P53基因，并对不同位置的单碱基错配序列进行了研究。该方法无需对发卡式DNA探针进行标记，实验证明发卡式DNA探针有很高的杂交特异性，可以识别单碱基错配序列，并且错配碱基位于环中央时对杂交效率影响最大。

Zhang等［69］在金电极阵列上分别自组装巯基发卡式DNA探针，采用亚甲蓝为杂交指示剂，方波伏安法检测了人体免疫缺陷蛋白HIV-1和HIV-2，对二者的检出限均达到了0.1nmol/L。Mir等［70］对凝血酶的不同适体生物传感器的制备方式对测定结果的影响进行了详细的比较研究。适体在与靶标分子特异性结合后，其三级结构将发生改变，随之发生变化的有适体的电荷密度、吸附性质和空间位阻等一系列因素。采用纳米材料不仅可以将上述这些变化因素转化为可检测的光学、电化学信号，而且还可以提高分析检测的灵敏度。Numunuam等［71］首次以CdS量子点标记二级适体，建立了夹心型电位法测定蛋白质的电位传感器，凝血酶的检出限为0.14nmol/L。Hansen等［72］利用CdS量子点修饰适体建立了7种不同蛋白质的同时电化学检测，其检出限为0.5pmol/L，而且具有良好的选择性。该方法为超痕量的生物标记物的检测及肿瘤的早期诊断提供了可能。Polsky等［73］利用Pt纳米粒子功能化的适配体进行了凝血酶的电化学检测。由于纳米粒子对过氧化氢的催化还原，放大了电信号而使凝血酶的检测限降低到纳摩尔的水平。He等［74］将含有聚腺嘌呤序列的抗凝血酶适配体对纳米金予以功能化，然后基于凝血酶与抗体的特异性作用固定在电极表面，然后腺嘌呤核糖酶降解释放而直接在热解石墨电极上检测。由于纳米粒子可以载带较多的适配体，所以检测灵敏度可以降低至0.1μg/L。Li等［75］在金电极上预先修饰2种分别含有腺苷酸和凝血酶的适体，捕获探针预先用纳米金及硫化物纳米粒子固定的DNA链杂交，构成了一种夹心型的传感器用于腺苷酸和凝血酶的阳极溶出伏安测定，其检出限分别为6.6×10－12和1.0×10－12mol/L。Velasco-Garcia等［76］和Hianik等［77］对适体电化学生物传感器的研究进展进行了评述，并对其发展前景进行了展望。总的来说，虽然报道的多种构建电化学适体传感器的方法获得了较为满意的分析性能，但对电化学适体传感器的分析性能和各项参数的研究和评价还不充分，在实际体系中的应用也还需要拓展。

2．2光学适体传感器

随着能与蛋白质等生物大分子特异结合的适体的筛选和发现，基于纳米材料的比色技术日渐成为生物大分子识别和检测的有力工具。由于适体-纳米粒子的比色检测灵敏度高、操作简单，因而对蛋白质分析和癌症的诊断具有重要意义。图4为比色法测定蛋白质的基本原理。Mao等［78］利用分子信标的特异性识别特性和金纳米粒子的光学特性，建立了快速、灵敏而价廉的检测DNA的方法。Liu等［79］报道了一种纳米粒子-适体的生物传感器可直接用于血液中癌细胞拉莫斯细胞的比色法检测，为循环系统的癌细胞提供了一种快捷灵敏的检测方法，对癌症的诊断和治疗具有较大的作用。Lee等［80］利用SPR适体生物传感器检测视黄醇结合蛋白4(RBP4)用于二型糖尿病的诊断。该种方法避免了传统免疫学检测的测定干扰，可直接用于血液中RBP4的检测。Huang等［81］采用适体-纳米金实现了对乳腺癌标志物PDGF-AA、PDGF-AB、PDGF-BB的检测，其检出限均能达到纳摩尔水平。Medley等［82］以适体修饰的金纳米粒子实现了急性淋巴细胞白血病CCRF-CEM细胞的检测，并使用伯基特淋巴瘤Ramos细胞做对比检测，探针对靶标细胞有特异识别，其检出限为90个癌细胞。该纳米比色探针的选择性和灵敏度令人满意。与传统方法相比，比色法用于蛋白质分子检测有明显优势，如所需药品及材料均较廉价，避免了生物分析中的复杂修饰和分离，不仅保证了适体与靶分子的高度亲和性，还极大地简化了分析检测步骤，能很好的满足对现场快速检测的需求。相信这种方法将以其高灵敏、低成本和较简便等优势在生物分析和医学检测等领域得到广泛应用。与比色法相比，荧光法由于灵敏度高、特征参数多、动态范围宽和适体与纳米粒子作用方式灵活多样等优点，而更具发展潜力。最常见的光学分子信标就是发卡式分子信标，即适体序列的两端分别标记一个荧光团和淬灭团，当靶分子与特异序列结合后，原本相近的荧光团和淬灭团分开，进而显示出荧光信号。

另一种是在一个已知DNA序列上分别配合带有荧光团和淬灭团的DNA序列，当靶分子与适体进行特异结合后，淬灭团序列离开，而显示出荧光，并用于检测靶分子［83］。Huang等［84］将与DNA具有亲和性的DMDAP加入到PDGF适体修饰的纳米金溶胶中发生荧光淬灭，靶分子PDGF的加入使DMDAP释放到溶液中，进而荧光恢复，实现了对PDGF的荧光检测，其检出限可达8pmol/L。量子点与适体的结合则大大提高了其在细胞研究中的功能，为癌细胞的影像诊断技术及细胞内的药物转运提供了可能。Bagalkot等［85］发展了由阿霉素、适体和CdSe/ZnS量子点组成的双荧光共振能量转移体系，并将其成功应用于体外前列腺癌细胞的影像、治疗和药物运输。由于荧光检测法固有的高度灵敏性和多种纳米材料技术的使用，荧光生物传感在生物医学领域的研究将有更大的发展和应用空间。Zhang等［86］将钌联吡啶衍生物作为标记物，连接到发卡式DNA上制成电化学发光探针，将其自组装到金电极上构成新型电化学发光传感器，根据杂交前后电化学发光信号强度的不同进行目标序列的检测。实验结果表明，该发卡式DNA电化学发光传感器有较高的杂交特异性，能够识别单碱基和多碱基错配序列，检出限为9×10－11mol/L。该传感器具有较高的检测灵敏度，且无需对目标分子进行标记，有望应用于疾病检测等医学领域。Huang等［87］将含有15个碱基的巯基适体固定在金电极表面，用以结合凝血酶;另以29个碱基的生物素修饰的适体与凝血酶杂交形成夹心型结构。用亲和素修饰的量子点对生物素-亲和素的作用进行检测，制备了一种新颖的化学发光适体传感器。该传感器对凝血酶的检测线性范围为0～20mUg/mL。Pollet等［88］首次将光纤SPR传感器与DNA适体相结合制备了一种可重复使用、经济而非标记的适体传感器用于研究DNA杂交及DNA-蛋白质之间的相互作用。该传感器不仅可对DNA和蛋白质进行定量，而且还可以用于研究它们结合的动力学常数。#p#分页标题#e#

2．3质量型适体传感器

质量型适体生物传感器是非标记的生物测定技术，包括微波传感器、石英晶体微天平、表面声波装置和微机械悬梁式传感器。微重石英晶体微天平常用于检测靶分子与适体之间的相互作用。Tombelli等［89］和Hianik等［90］将生物素化的适体固定在金/石英晶体表面用于测定凝血酶和HIV-1Tat蛋白，其检出限分别为1nmol/L和0.25μg/L。机械悬梁式生物传感器具有较高的分辨率和稳定性。Savran等［91］将2个相临近的悬梁臂上分别功能化相应的适体，一个用ssDNA阻塞，一个用以测定TaqDNA聚合酶。结果表明，聚合酶与适体的结合产生了3～23nm的悬臂弯曲，且弯曲的程度与聚合酶的浓度直接相关。Hwang等［92］用纳米机械悬梁式传感器研究了RNA适体与hepatitisCvirus解螺旋酶的相互作用，对HCV解螺旋酶的检出限达到100pg/mL。Yang等［93］将含有20个碱基的ssDNA通过巯基固定在金表面制备了悬梁式DNA传感器，用于研究DNA的杂交。结果表明，该传感器能区分靶分子并为高通量实时监测DNA提供了可能。Yao等［94］以QCM适体传感器测定人血浆中的IgE，其线性范围为2.5～200mUg/L。该传感器具有较高的特异性、低检出限、样品量少的优点，适于特异性蛋白质的检测。质量型适体生物传感器与传统检测方法相比，不需要任何标记，仪器简单、操作方便、响应灵敏、选择性好和便于自动化，将在生物医学领域的检测上发挥越来越重要的作用。