活体脑化学物质实时分析系统代氧化酶型生物传感器

代氧化酶型生物传感器是利用О。作为氧化酶的电子受体,通过检测酶催化反应过程中H.0,的生成量,进而实现被测物浓度及其变化的传感分析。尽管目前大部分氧化酶型生物传感器是基于该原理研制而成,但是该类生物传感器仍面临诸多问题[*。一方面,0。作为酶催化反应的电子受体,其浓度随环境的波动将会影响传感器信号的稳定性;另一方面,H.0。的电化学氧化通常具有较高的过电位,而脑内共存的其它物种,如多巴胺及其代谢产物、抗坏血酸等,在此高电位下也能发生电化学氧化反应,进而干扰测定;虽然检测H0。的还原电流能够避免以上物质氧化的干扰,但由溶解氧电化学还原而产生的干扰仍是一个不可回避的问题。

活体脑化学物质实时分析系统交换膜

为了提高代氧化酶型生物传感器的选择性,研究人员曾在传感器的表面再覆盖一层离子交换膜[°]或者电化学聚合膜',从而抑制电化学活性物质(如抗坏血酸)向电极表面的扩散和的电化学氧化。抗坏血酸对于传感器的干扰也可通过在电极表面或在线电化学传感器上游引人抗坏血酸氧化酶修饰层或酶柱,预先氧化抗坏血酸进而消耗其含量实现(]。Baker等l在铂微电极表面电聚合邻苯二胺薄膜,并修饰以甲酯,醋酸纤维素等作为稳定剂,结合生物识别元件(氧化酶)实现了大鼠脑内的原位电化学分析。Li等(通过在葡萄糖氧化酶修饰的电极上电聚合一层邻苯二胺薄膜,提高了对葡萄糖的选择性,并将该阵列电极成功用于大鼠扩散性抑制过程中葡萄糖,O。和电生理活动的同时测定。他们发现,在SD过程中,脑内葡萄糖和氧分压会发生明显的变化。Chatard等l5利用气相沉积的方法在直径7 um 的碳纤维表面镀铂,再电聚合一层间苯二胺薄膜,较好地抑制了内源性电活性分子向电极表面的扩散。通过使用葡萄糖氧化酶和乳酸氧化酶,他们研制出了对脑组织创伤较小,但对于葡萄糖和乳酸具有良好响应的电化学生物传感器,成功用于脑神经生理病理模型中葡萄糖和乳酸动态变化的研究。他们还发现,在SD过程中,传统微电极和碳纤维微电极对葡萄糖和乳酸的响应表现出较大差异。

活体脑化学物质实时分析系统基于漆酶电化学生物传感器的分析

漆酶是一种蓝铜族氧化酶,可催化酚类物质的氧化和0。的还原”)。该酶含有的4个Cu位于蛋白的疏水空腔内,其中TI Cu*距蛋白表面约0.6 nm,是催化过程中接收外来电子的站,而由T2和T3Cu‘形成的三核铜簇是О,的结合位点,经由蛋白内电子传递途径接收来自Tl Cu'*的电子,从而将0。还原成H,0。目前,漆酶已被广泛应用于生物燃料电池、生物传感,废水处理等领域。漆酶的性质也为分析化学提供了新途径。多巴胺是一种儿茶酚胺类递质,参与神经信号的传递,在奖赏、运动,成瘾等过程中发挥无可替代的作用T]。多巴胺本身具有邻苯二酚的结构,也是漆酶的底物之一。基于多巴胺在电极表面发生电化学-化学-电化学反应的机理,Xiang等[']提出通过测定多巴胺氧化产物5,6-二羟基蚓吸琳醒的还原电流,进而间接测定多巴胺的新思想。他们利用漆酶催化多巴胺的步氧化反应,继而驱动后续反应的发生;其终产物5,6-二羟基蚓噪啉醍具有较好的电化学活性。

活体脑化学物质实时分析系统基于核酸适配体的生物传感

目前,Aptamer已成为诊断和的重要分子工具。与天然受体(如和酶)相比,Aptamer作为生物识别元件,在电化学生物传感领域具有很好的优势:(1)针对具体的靶标(从小分子到尺寸较大的蛋白质甚至细胞),理论上都可通过体外筛选的方法,得到具有高特异性和亲和力的 Aptamer; (2)Aptamer具有化学稳定性; (3 )Aptamer在与靶标结合时常能发生显著的构象变化,该特点可为高灵敏度和高选择性电化学生物传感原理的设计和构筑提供可能[!。2018年,Nakatsuka等![]在超薄金属氧化物场效应晶体管阵列上修饰能够特异性结合靶标的Aptamer,在生理条件下,实现了5-羟色胺、多巴胺﹑葡萄糖、1-磷酸神经鞘氨醇的选择性检测,如图10所示。靶标分子和 Aptamer结合诱导后者带负电的磷酸二酯骨架发生构象变化,引起栅极调控半导体通道导电能力的改变,进而实现了待测靶标的高灵敏检测。