學(xué)位論文研究課題孫麗娟

1、陜西師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院碩士研究生學(xué)位論文開題報告題 目：通用型雙極電化學(xué)發(fā)光陣列生物傳感器的研究學(xué)號：121664姓名：孫麗娟學(xué)科專業(yè)：分析化學(xué)研究方向：生物電分析導(dǎo)師姓名：張成孝職稱：教授報告主持人：報告日期： 填表日期：年月日填 表 說 明1、開題報告是碩士生培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，研究生需在導(dǎo)師的指導(dǎo)下認真完成，具體要求參見陜西師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院關(guān)于研究生學(xué)位論文開題報告的規(guī)定。2、開題報告文獻綜述部分的基本要求：（1）國內(nèi)外本研究課題的發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢及問題等，字數(shù)6000字左右。（2）參考文獻量應(yīng)不少于30篇，對于個別新興研究領(lǐng)域其文獻量可酌情減少；參考文獻中最新研究文獻（近五年內(nèi)發(fā)表的文

2、獻）不少于三分之二，外文文獻不少于四分之三；（3）文獻引用格式需符合陜西師范大學(xué)學(xué)位論文參考文獻格式要求的相關(guān)規(guī)定。3、完成時間：研究生應(yīng)在入學(xué)后第三學(xué)期初（9月1日至10月1日）進行，具體時間各學(xué)科可按實際情況進行安排；2012級研究生應(yīng)在2013年11月15日前進行開題。4、碩士生開題報告書應(yīng)首先獲導(dǎo)師認可方可參加開題。5、打印要求：此表用A4紙雙面打印，各欄空格不夠時，請自行加頁。6、開題報告通過、修改、簽字完畢后，交學(xué)院辦公室存檔一份。選題基本情況（）本研究題目為： 1. 導(dǎo)師課題的一部分 ( )；2. 委培單位的課題 ( )；3. 其它（須具體說明） 。選題分類 （）1. 基礎(chǔ)研究

3、( )2. 應(yīng)用研究 ( )3. 綜合研究 ( )4. 其 他 ( )選題來源 （）1. 973、863項目( )2. 國家自然科學(xué)基金項目 ( )3. 中央、國家各部門項目 ( )4. 陜西省項目( )5. 西安市項目 ( )6. 企、事業(yè)單位委托項目（ ）7. 國防項目 （ ）8. 其他 （ ）一、立題依據(jù)1.項目的立項依據(jù)（研究意義、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)分析，需結(jié)合科學(xué)研究發(fā)展趨勢來論述科學(xué)意義；或結(jié)合國民經(jīng)濟和社會發(fā)展中迫切需要解決的關(guān)鍵科技問題來論述其應(yīng)用前景。附主要參考文獻目錄）近幾年，無論在發(fā)展中國家還是在發(fā)達國家，心血管疾?。╟ardivovascular CVD）都是人類

4、死亡的一個重要原因。根據(jù)世界世界衛(wèi)生組織（WHO）的推測，預(yù)計到2015年，心血管疾病將是引發(fā)發(fā)展中國家人口死亡的首要病因。因此，發(fā)展穩(wěn)定性高、特異性強、靈敏、可實現(xiàn)對多種心血管疾病標志物同時檢測的方法對與心血管疾病的早期發(fā)現(xiàn)和治療具有極其重要的意義1。生物傳感器2是一類以生物分子識別物質(zhì)(如酶、抗體、核酸、細胞等）作為生物敏感單元，對目標檢測物具有高度選擇性的檢測器。由于生物傳感器具選擇性好，靈敏度高、分析速度快、可檢測的目標范圍廣等優(yōu)點，而在心血管疾病的早期診斷方面起著重要的作用3。目前報道的心血管疾病的標志物有C反應(yīng)蛋白(C reaction protein簡稱CRP)、心肌肌鈣蛋白I（

5、Cardiac tropinin I 簡稱c TnI）、心肌肌鈣蛋白T（Cardiac tropinin T 簡稱c TnT）、肌紅蛋白（Myoglobin 簡稱Mb）、白細胞介素-6（interlukin-6 簡稱IL-6）、白細胞介素-1（interlukin-1 簡稱 IL-1)、低密度脂蛋白（low-density lipoprotein 簡稱LDL)、髓過氧化物酶（myeloperoxidase 簡稱MPO) 、腫瘤壞死因子-（tumor necrosis factor alpha 簡稱 TNF-)、腦鈉肽（brain natriuretic peptide簡稱BNP）等。對于心血管

6、疾病標志物檢測的方法有化學(xué)發(fā)光分析法、熒光分析法、電化學(xué)分析法、電化學(xué)發(fā)光分析法等。在這些方法中，電化學(xué)發(fā)光分析法(Eleertogneerated chmilmuniesecnce，簡稱ECL)，是對電極施加一定的電壓進行電化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物之間或反應(yīng)產(chǎn)物與體系中的某種組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生激發(fā)態(tài)物質(zhì)，激發(fā)態(tài)物質(zhì)回到基態(tài)時產(chǎn)生發(fā)光，用光電倍增管等測量發(fā)光強度，從而對物質(zhì)進行定性或定量的分析的方法4。它作為電化學(xué)分析方法與化學(xué)發(fā)光分析法的產(chǎn)物，具有檢測限低、線性范圍寬、儀器簡單、受電極污染小等優(yōu)點。相對于化學(xué)發(fā)光，具有可控性強的優(yōu)點；相對于電化學(xué)分析法，具有檢測限低的優(yōu)點；相對于熒光檢測，具有

7、無光漂白，不需要光源和分光系統(tǒng)等優(yōu)點，因而引起了國內(nèi)外分析化學(xué)家門的極大興趣。國外的Bard，Rusling，Miao，Walt研究小組，國內(nèi)長春應(yīng)用化學(xué)研究所，南京大學(xué)，福州大學(xué)，中國科技大學(xué)，南開大學(xué)，華東師范大學(xué)，青島科技大學(xué)，西北大學(xué)，濟南大學(xué)，陜西師范大學(xué)等，在電化學(xué)發(fā)光體系和生物分析，尤其是心血管疾病標識物應(yīng)用研究方面取得了一系列的研究成果。目前，國內(nèi)外利用電化學(xué)發(fā)光技術(shù)進行心血管疾病標示物的傳感技術(shù)，主要集中于新型電化學(xué)發(fā)光體系、分子識別物質(zhì)固定化、信號放大和檢測系統(tǒng)等單個傳感器的研究，涉及多組分物質(zhì)檢測的電化學(xué)發(fā)光陣列傳感方法和器件的研究相對較少。雙極性電極是一個不與外電源連接

8、而置于驅(qū)動陰極和陽極之間電解液中的導(dǎo)體5,6，與傳統(tǒng)的三電極體系相比，雙極性電極應(yīng)用于電分析化學(xué)的主要優(yōu)點是不需要電線的直接連接，簡單的電源甚至電池就可以滿足供電，雙極性電極的電位容易控制。因而可以通過建立雙極性電極陣列來實現(xiàn)多組分的同時檢測。目前電化學(xué)發(fā)光分析法的檢測器主要分別為光電倍增管和CCD, 其中以CCD作為電化學(xué)發(fā)光分析法檢測工具的方法稱為電化學(xué)發(fā)光成像法。目前商品化的光電倍增管很難實現(xiàn)多信號的同時采集，而CCD卻可以實現(xiàn)多信號的采集。基于電化學(xué)發(fā)光成像是一種全新的成像技術(shù)，兼有化學(xué)發(fā)光成像法和電化學(xué)發(fā)的優(yōu)點，不僅能夠提供發(fā)光強度和電化學(xué)信號，而且能夠進行光學(xué)成像7，該法不僅能提供

9、傳統(tǒng)分析化學(xué)所能確定的“是什么”和“有多少”的定性以及定量概念，而且可以提供 “什么位置有什么”、“有多少”的信息8。因而，電化學(xué)發(fā)光成像實現(xiàn)多組分同時檢測方面有著很大的優(yōu)勢。 在目前的研究中，對于雙極性電極陣列應(yīng)用于電化學(xué)發(fā)光傳感器中實現(xiàn)多組分同時測定的研究還未見報道?；诖耍撗芯繑M建立一種用于多組分同時測定的通用型雙極電化學(xué)發(fā)光陣列生物傳感器。本文將就近6年電化學(xué)發(fā)光生物傳感器，陣列生物傳感器、電化學(xué)成像分以及和雙極性電極應(yīng)用方面的一些研究進展進行綜述。1. 電化學(xué)發(fā)光生物傳感器的研究電化學(xué)發(fā)光生物傳感器(Electrochemiluminescence biosensor)是將特異性分

10、子識別物質(zhì)如酶、抗原/抗體、DNA作為分子識別物質(zhì)固定在換能器上，將待測物質(zhì)的濃度轉(zhuǎn)變?yōu)殡娀瘜W(xué)發(fā)光檢測信號的分析器件。電化學(xué)發(fā)光生物傳感器以其實驗裝置簡單、選擇性好、靈敏度高、分析速度快、操作簡便等特點，在分析化學(xué)的研究中起著越來越重要的地位，已廣泛用于生命科學(xué)、環(huán)境分析、藥物分析等領(lǐng)域。電化學(xué)發(fā)光生物傳感器根據(jù)是否標記電化學(xué)發(fā)光信號物質(zhì)分為標記型和非標記型兩類模式。非標記型電化學(xué)發(fā)光生物傳感器是將電化學(xué)發(fā)光信號物質(zhì)通過吸附或插入等非標記的方法引入傳感器中，利用目標物質(zhì)與傳感器相互作用前后，電化學(xué)發(fā)光信號的變化而進行檢測的傳感器。非標記型電化學(xué)傳感器不需要復(fù)雜的標記電化學(xué)發(fā)光信號物質(zhì)的過程，是

11、一種簡單易行的傳感模式，但靈敏度相對較低、干擾較大。標記型電化學(xué)發(fā)光生物傳感器是指利用電化學(xué)發(fā)光信號物質(zhì)對目標物質(zhì)或分子識別物質(zhì)進行標記得到電化學(xué)發(fā)光信號探針，利用信號探針指示分子識別物質(zhì)與目標物質(zhì)相互作用的傳感器。標記型的電化學(xué)發(fā)光生物傳感器以其高靈敏度備受人們的關(guān)注。南開大學(xué)的Yin等人9設(shè)計了一種非標記電化學(xué)發(fā)光檢測凝血酶的生物傳感器。原理如圖1.1所示，該傳感器以Ru(phen)32+為信號物質(zhì)，凝血酶適體為分子識別物質(zhì)，將有27個堿基的單鏈巰基凝血酶適體自組裝于金電極表面，封閉劑封閉后，含有20個堿基的互補DNA與適體雜交結(jié)合于金電極表面。隨后，將Ru(phen)32+信號物質(zhì)插入雙

12、鏈DNA中，形成電化學(xué)發(fā)光傳感器。當(dāng)體系中存在凝血酶時，凝血酶適體特異性地識別凝血酶而使雙鏈DNA打開，釋放信號物質(zhì)，基于電化學(xué)發(fā)光強度的降低值進行檢測。 圖1.1 電化學(xué)發(fā)光適體傳感器檢測凝血酶原理圖Figure 1.1 Schematic for the principle of the developed ECL aptasensor for detecting thrombin.2008年，張成孝小組10以釕聯(lián)吡啶衍生物標記的發(fā)卡型DNA作為分子識別物質(zhì)，構(gòu)建了一種高選擇性檢測目標單鏈DNA的電化學(xué)發(fā)光傳感器(如圖1.2)。該傳感器對互補DNA序列的檢出限為9×10-11 M

13、，能有效區(qū)分單堿基錯配與完全匹配DNA，解決了直接固定直鏈DNA電化學(xué)發(fā)光DNA探針而造成的高背景缺點，也克服了先固定化檢測單鏈DNA再雜交電化學(xué)發(fā)光DNA探針模式非傳感的缺點。圖1.2 基于雜交的發(fā)卡型DNA探針目標DNA原理圖Fig. 1.2 Schematic diagram of the hairpin-DNA probe detection for DNA hybridization.2011年該小組11以釕聯(lián)吡啶作為信號物質(zhì)，溶菌酶適體(LBA)作為分子識別物質(zhì)，報道了一種新型的非標記電化學(xué)發(fā)光適體傳感器檢測溶菌酶的方法。檢測原理如圖1.3所示，溶菌酶適體(LBA)帶有大量負電荷，

14、一端帶有巰基，通過巰基自組裝于金電極表面。溶菌酶與靜電吸附在適體上的電化學(xué)發(fā)光信號物質(zhì)Ru(bpy)32+競爭結(jié)合固定在電極上的適體。在溶菌酶存在時，帶陽離子的溶菌酶與帶陰離子的適體(LBA)序列易于形成LBA-lysozyme復(fù)合物，此時溶菌酶適體(LBA)上的陰離子減少使得通過靜電吸附作用吸附在適體上的Ru(bpy)32+減少，基于電化學(xué)發(fā)光信號降低值進行檢測。圖1.3 非標記電化學(xué)發(fā)光檢測溶菌酶原理圖Fig. 1.3 Schematic diagram of the label-free aptasensor for the detection of lysozyme.2. 陣列生物傳感

15、器的研究陣列生物傳感器是一種用可檢測的信號實現(xiàn)高通量生物學(xué)信息的轉(zhuǎn)換和獲取的傳感器件，是多個生物傳感器的集合體。它由分子識別物質(zhì)和換能器組成。陣列生物傳感器具有分析通量高、樣品用量少等優(yōu)點12?；诓煌臋z測技術(shù)，發(fā)展了熒光陣列生物傳感器、電化學(xué)生物傳感器、電化學(xué)發(fā)光生物傳感器等。2.1 熒光陣列生物傳感器Doong等人13利用溶膠-凝膠技術(shù)，將辣根過氧化物酶、谷氨酸脫氫酶和乙酰膽堿酯酶分別與不同的熒光物質(zhì)共同固定于載玻片上，采用熒光法同時測定老年癡呆癥的幾種生物標示物- 淀粉樣多肽、谷氨酸和乙酰膽堿，對應(yīng)的檢測限分別為 0.63nM、0.55mM和1.0mM，并且沒有明顯的交叉干擾。Huan

16、g14等人以光量子表面作為傳感平臺構(gòu)建了高靈敏檢測腫瘤標示物的蛋白陣列，實現(xiàn)了24種抗原的同時測定。在構(gòu)建的光量子表面的傳感平臺上，青色素5在其激發(fā)波長處能夠產(chǎn)生光學(xué)共振，從而可以提高了青色素5的熒光強度，使得陣列傳感器的靈敏度大大提高，該研究獲得了較低的檢測限（2 pg/mL）。2.2 電化學(xué)陣列生物傳感器Polsky等人15通過在陣列電極上可尋址固定探針DNA和捕獲抗體，發(fā)展了用于乳腺癌基因（BRCA1）和人白細胞介素-12（IL-12）同時檢測的傳感陣列。圖1.4是可尋址的固定探針DNA和捕獲抗體的示意圖。先將對氨基苯甲酸的重氮鹽可尋址的修飾在5個指定的電極上，通過羧基和氨基的反應(yīng)實現(xiàn)探

17、針DNA的固定，再將修飾有重氮鹽的抗體通過電化學(xué)還原沉積在其余的四個電極上。此方法成功的將不同生物分子可尋址地固定在陣列電極的指定位置上，制得的陣列傳感器有好的選擇性，在復(fù)雜基質(zhì)中也能實現(xiàn)對目標物的準確檢測。2008年，該小組16以修飾有重氮鹽的生物素標記的抗體為模型，以親和素標記的金納米和親和素標記的HRP為信號，詳細探討了重氮化抗體在電極上的固定條件。以重組的腫瘤壞死因子（TNF）、 白細胞介素（IL-12）和人白細胞介素-1（IL-1）為模型，采用夾心模式，以HRP標記的抗體為信號抗體，考察了基于電化學(xué)重氮鹽法構(gòu)建的可尋址多物質(zhì)同時檢測的陣列傳感器的分析性能49。圖1.4電化學(xué)還原重氮鹽

18、法構(gòu)建的可尋址型DNA和抗體陣列傳感器的示意圖Fig. 1.4 DNA and antibody probe electrode array selectively functionalized via electroaddressable deposition of diazonium salts.2.3 電化學(xué)發(fā)光陣列生物傳感器2009年，Walt小組17報道了一種利用光纖陣列和聚苯乙烯微球?qū)Χ喾N抗原實現(xiàn)同時檢測的電化學(xué)發(fā)光方法。原理圖如1.5所示：首先將捕獲抗體各自固定在聚苯乙烯微球上，通過抗原-抗體的相互作用，將生物素標記的抗體與目標抗原結(jié)合，通過鏈霉親和素與生物素的相互作用，將釕聯(lián)吡

19、啶絡(luò)合物標記的鏈霉親和素與生物素標記的抗體結(jié)合，從而形成聚乙烯微球-抗體/目標抗原/生物素標記的抗體/釕聯(lián)吡啶絡(luò)合物標記的鏈霉親和素復(fù)合物，將上述含有不同目標抗原的聚苯乙烯微球填充到經(jīng)刻蝕并涂覆金層的光纖束的微孔中，從而形成電化學(xué)發(fā)光陣列，通過電化學(xué)發(fā)光成像來收集電化學(xué)發(fā)光信號，從而實現(xiàn)了對人血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）、白細胞介素-8 （IL-8）和金屬蛋白酶-1（ TIMP-1）的同時測定。 圖1.5多重夾心結(jié)構(gòu)電化學(xué)發(fā)光成像同時檢測VEGF、IL-8、TIMP-1Fig. 1.5 Multiplexed Sandwich Immunoassays Using Electrochemilu

20、minescence Imaging for the detection of VEGF , IL-8 and TIMP-12011年，美國Rusling研究小組18以腫瘤標示物為對象，結(jié)合納米放大技術(shù)，以抗原/抗體之間的作用為基礎(chǔ)，建立了檢測腫瘤標示物的電化學(xué)發(fā)光分析方法。研制了一種電化學(xué)發(fā)光陣列芯片，實現(xiàn)了對白介素6 (IL-6)和前列腺特異性抗原(PSA)的同時檢測。檢測原理如圖1.6 所示，碳納米管修飾的石墨芯片為傳感器平臺，Ru(bpy)32+作為電化學(xué)發(fā)光信號物質(zhì)，二氧化硅納米粒子包裹的Ru(bpy)32+連接的抗體為信號抗體，在白細胞介素-6和前列腺特異性抗原存在下，分別形成夾心

21、復(fù)合物，用電化學(xué)發(fā)光成像技術(shù)對白細胞介素-6和前列腺特異性抗原的進行同時檢測。由于采用二氧化硅納米粒子多負載信號物質(zhì)Ru(bpy)32+的策略，白細胞介素-6的檢測限為0.25 pg/mL，前列腺特異性抗原的檢測限為1.0 pg/mL。這種多負載信號物質(zhì)的策略和陣列芯片的使用實現(xiàn)了高靈敏同時檢測多組份物質(zhì)，此工作將為同時檢測多組份物質(zhì)提供新的思路。圖1.6 電化學(xué)發(fā)光免疫同時檢測前列腺特異性抗原和白細胞介素-6Fig. 1.6 ECL Immunoarray detection of PSA and IL-6. 國內(nèi)電化學(xué)發(fā)光陣列傳感方面的工作近年來也得到人們的關(guān)注。2009年華東師范大學(xué)Fa

22、ng 等人19利用電化學(xué)固定化方法，選擇性的固定二氧化硅/殼聚糖包覆釕聯(lián)吡啶于金陣列電極表面，構(gòu)建了基于固定化釕聯(lián)吡啶的電化學(xué)發(fā)光陣列化學(xué)傳感器，進行了TPA的分析檢測。2011年西南大學(xué)的Fu等人 20以印刷碳電極為檢測平臺，4個碳電極為工作電極，利用電化學(xué)發(fā)光免疫陣列傳感進行人、兔和鼠免疫球蛋白的檢測。通過人為控制PMT的檢測位點，分別施加電壓進行三物質(zhì)的順序檢測。2012年南京大學(xué)的Chen等人21利用量子點CdS和釕聯(lián)吡啶之間的電化學(xué)發(fā)光能量轉(zhuǎn)移，在ITO電極上利用免疫競爭法進行了癌胚抗原、甲胎蛋白和前列腺抗原的同時檢測。2012-2013年濟南大學(xué)的Yu 等人22-24分別以釕聯(lián)吡啶

23、和碳納米點為電化學(xué)發(fā)光信號物質(zhì)，結(jié)合流動注射、微芯片技術(shù)和電化學(xué)發(fā)光免疫分析技術(shù)，進行了癌胚抗原、甲胎蛋白和前列腺抗原等腫瘤標識物的電化學(xué)發(fā)光順序檢測。3.雙極性電極在電化學(xué)發(fā)光分析中的應(yīng)用研究3.1雙極性電極系統(tǒng)原理：雙極性電極（bipolar electrode）是一個不與外電源連接而置于驅(qū)動陰極和陽極之間電解液中的導(dǎo)體25,26。它是一個與離子導(dǎo)體相連接的電子導(dǎo)體。當(dāng)一個足夠高的電場施加于離子相時，即使雙極性電極與外電源沒有直接的電連接，法拉第反應(yīng)也能在雙極性電極的兩端發(fā)生。與傳統(tǒng)電化學(xué)三電極系統(tǒng)中的工作電極相比，雙極性電極有三點不同：（1）不與外電源直接電線連接；（2）電極與溶液間的電

24、位差決定于溶液中的電場，而不是直接決定于電位儀控制的界面電位；（3）雙極性電極上陽極端發(fā)生氧化反應(yīng)，陰極端發(fā)生還原反應(yīng)，即面對著驅(qū)動陽極的一側(cè)起著陰極作用，面對著驅(qū)動陰極的另一側(cè)起著陽極作用，而傳統(tǒng)的工作電極上只發(fā)生氧化反應(yīng)或還原反應(yīng)中的一種。經(jīng)過十年的發(fā)展，雙極性電化學(xué)已經(jīng)不再是無人問津的課題，而是逐漸發(fā)展成為能夠?qū)㈦娀瘜W(xué)方法集成于芯片實驗室的一種非常有前途的新技術(shù)。一個電化學(xué)反應(yīng)能否發(fā)生，決定于電極與溶液間界面電位差的大小。換句話說，電子轉(zhuǎn)移的驅(qū)動力是界面電位差，而不是電極或者溶液的絕對電位27。在傳統(tǒng)的三電極電化學(xué)系統(tǒng)中，工作電極的電位通過恒電位儀控制，而溶液的電位不能直接控制，如圖1.

25、7a所示。也就是說，界面電位差由工作電極來決定。當(dāng)工作電極的電位控制在比溶液中電活性分子發(fā)生反應(yīng)的電位更負時，電子從電極轉(zhuǎn)移到溶液中的還原組分；同理，電化學(xué)氧化時，電子轉(zhuǎn)移的方向相反。如圖1.7b所示。在工作電極與對極間測量到的電流直接與電化學(xué)反應(yīng)的速率成正比。圖1.7 三電極系統(tǒng)與雙極性電極系統(tǒng)構(gòu)造圖Fig.1.7 Configuration of three-electrode and bipolar-electrode雙極性電極的構(gòu)造與傳統(tǒng)體系有點相反。即溶液與電極間的界面電位差決定于溶液中的電場分布。盡管在雙極性電極的實驗中,溶液和電極的作用互換,但我們?nèi)匀豢梢詫缑骐娢徊钸M行控制。雙

26、極性電極的構(gòu)造如圖1.7c所示。一個與外電源沒有連接的導(dǎo)體材料被放置在一個微通道中。通道的兩端各有一個驅(qū)動電極，由一個簡單的直流電源為這兩個驅(qū)動電極提供電壓降Etot。因為通道電阻很高，施加于通道兩端的Etot大部分沿通道線性降落。與類似的并聯(lián)電路進行對比，能夠幫助理解雙極性電極如何響應(yīng)Etot，如圖1.8a，1.8b， 1.8c。當(dāng)電流通過雙極性電極時，就會在其兩端產(chǎn)生電位差。根據(jù)并聯(lián)電路中，各支路兩端電壓相等的原理可知，雙極性電極兩端的電位差Eelec等于Etot在該位置處、相同長度的電解質(zhì)溶液上產(chǎn)生的電壓降。因此，Eelec是通道總壓降Etot的一部分(圖3.2c)，是Etot和電極長度

27、lelec的函數(shù)。圖1.8 雙極性電極系統(tǒng)原理圖Fig.1.8 Schematic diagram for bipolar-electrodeEtot代表了雙極性電極的兩極上耦合的兩個法拉第反應(yīng)的總驅(qū)動力。對于同時發(fā)生的這兩個氧化還原反應(yīng)，Eelec值必須高于這兩個反應(yīng)式量電位的差值。當(dāng)RsRe（即通道中的電流主要由離子遷移承擔(dān)）時，體系中Eelec可以通過(1)式估算：(1)這說明，對于一個給定的電場強度（Etot/lchannel），電極越長，則產(chǎn)生的Eelec值就越大，相應(yīng)的ibpe也就越大。因此，Etot值的大小能否觸發(fā)電化學(xué)反應(yīng)，既決定于溶液組成，也跟電極長度和通道長度的比值有關(guān)。對

28、于已經(jīng)報道的大部分結(jié)果，Etot的范圍在2030V之間，沒有超過100V的。因此，廉價的電源就能用來進行許多有趣的雙極性電極實驗。3.2 雙極性電極在用電致化學(xué)發(fā)光法檢測電活性分子研究國際上對于雙極性電極的研究小組主要有：美國Richard M. Crooks教授 (The University of Texas at Austin)；法國Francois Mavre教授 (Universite´ Paris Diderot)；瑞典Leif Nyholm教授 (Linko¨ping University)；德國Ulrich Tallarek教授 (Philipps-UniV

29、ersita¨t Marburg)等，國內(nèi)有南京大學(xué)徐靜娟教授和陳洪淵院士研究小組。2001年，Andreas Manz等人首次將電化學(xué)發(fā)光檢測應(yīng)用于雙極性電極中28，提出利用雙極性電極陽極端的電化學(xué)發(fā)光間接報告陰極端的法拉第電流這一非常有發(fā)展?jié)摿Φ牟呗?9,30，利用溶液中陰極端O2和H2O的電化學(xué)還原可檢測陽極端的10-16 mol Ru(phen)32+ (10-6 M) 和 4.5´10-16 mol Ru(bpy)32+ (5´10-6 M)；2008年，Crooks等人開始研究雙極性電極微電化學(xué)陣列30，他們設(shè)計了一個無電線連接的DNA微電化學(xué)陣列，如

30、圖1.9所示，將陰極端固定有相同序列單鏈DNA探針的3個微金雙極電極 (1.00×0.25 mm)，即將所制備的DNA微電化學(xué)陣列暴露于用4-nm Pt納米粒子標記的與目標DNA完全匹配的DNA雜交后，置于PDMS微通道（長1.2 cm，寬1.7 mm，高28mm）中，通道裝有Ru(bpy)32+和TPrA水溶液，基于雜交，標記的Pt納米粒子催化溶解氧的還原，對這一反應(yīng)所需要的電子來源于Ru(bpy)32+和TPrA的氧化。因此，在雙極性電極的陽極端產(chǎn)生電化學(xué)發(fā)光。雙極性電極具有長度可調(diào)固有的性質(zhì)，在微電化學(xué)陣列的電極數(shù)量上可以大大地增加而不受到限制，而且仍保持著常規(guī)三電極陣列的所有

31、優(yōu)點。盡管沒有考察檢測靈敏度，但是為雙極性電極電化學(xué)發(fā)光DNA檢測開創(chuàng)了新途徑。2008年，Crooks等人31還發(fā)展了由1000個金微雙極性電極的微電化學(xué)陣列，每一個雙極性電極長500 mm、寬50 mm，用一對驅(qū)動電極就可以使所有1000個雙極性電極活化而在陽極端發(fā)射光。然而，和微流控裝置相比，電解池的構(gòu)造卻非常的簡單：將上面載有電極的玻璃板浸入盛有電解質(zhì)、Ru(bpy)32+和TPrA混合溶液的池子中，并在池子的兩端各放置一個不銹鋼板作為驅(qū)動電極即可。平行放置的驅(qū)動電極能夠保證池子中的電場是勻強電場（如圖1.10 b所示）。當(dāng)通道總電壓Etot足夠高時，即使沒有DNA的參與，每個雙極性電

32、極的陽極也會產(chǎn)生電化學(xué)發(fā)光（如圖1.10c所示）。該裝置并沒有涉及DNA，為了只達到驗證的目的，陰極反應(yīng)只簡單的設(shè)計為在金雙極電極直接還原氧氣為水。圖1.10d表示的是圖1.10c中三個白色箭頭所指橫排處，所有電極的電化學(xué)發(fā)光強度分布圖。該研究工作雖然沒有涉及DNA等生物檢測，但是，均勻的發(fā)射強度表明這些大容量的陣列在傳感應(yīng)用領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。2011年，南京大學(xué)徐靜娟教授和陳洪淵院士研究小組32,33成功地利用ITO芯片雙極性電極建立了電化學(xué)發(fā)光檢測細胞的新方法。 圖1.9 微型雙極性電極電化學(xué)發(fā)光DNA陣列傳感器Fig.1.9 A schematic of a microdevice

33、 showing three BPEs and the driving electrodes and an illustration showing an approach for sensing DNA.圖3.4 大規(guī)模雙極性電極電化學(xué)發(fā)光陣列Fig.3.4 Optical micrograph(a)、electrolytic cell configuration(b)、Electrochemiluminescence micrograph (c) and ECL intensity profile(d) of an array comprising 1000 individual BPEs

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