八院士齊聚全國生命分析化學大會盛況空前

　　２０１０年８月２０日第三屆全國生命分析化學學術報告與研討會在北京大學隆重開幕，中國分析化學界的八位院士全部出席，而且帶來了精彩的學術報告。

生命活體分析——核成像技術

中國科學院高能物理所多學科中心核分析重點實驗室 柴之芳 院士

　　中國科學院高能物理所多學科中心核分析重點實驗室柴之芳院士作了題為《生命活體分析——核成像技術》的報告，主要介紹了核成像方法技術，應用和發展方向等內容。

　　生命的本質在于活動。為了研究生命現象及其變化過程，我們不僅需要知道生命活體的組成和結構，更需要探索生命活體的代謝過程和活動變化規律。核成像技術就是研究生命活動的有力武器之一。

　　核成像系指基于核輻射、核效應、核譜學和核裝置的現代成像技術。用于生命成像研究的核方法包括單光子發射計算機斷層掃描技術（Single Photon Emission Computerized Tomography, SPECT），正電子發射計算機斷層掃描技術（Positron Emission Tomography, PET），基于x射線發射的成像技術，以及基于同步輻射的x射線成像技術等。柴院士重點講述以PET為代表的核成像技術。

　　PET設備的成像原理：質子和中子碰撞產生一個正電子，正電子和負電子的相互作用生成兩個光子，這兩個光子即被用來成像，示意圖如下：

PET設備成像原理示意圖

　　PET涉及幾項關鍵技術：1）10mCi活度藥物，2）64個探測器情況下，電子學數據處理量14.4Gb/s，3）3D方式數據采集，符合線6.6×107。接著，柴院士舉了高能所小型PET及鼠掃描成像實例。同時，柴院士還介紹了PET在乳腺癌、心血管病海洛因吸食患者等方面的應用。

　　PET的發展方向：1）追求更高的空間分辨率，人體小于1mm，動物小于0.5mm；2）追求多樣化；3）追求多模態，一次提供我們需要的全部信息；4）新方法，如改善響應信號、飛行時間和標記化合物等。

細胞圖案化、計數及其區分的研究

南京大學生命分析化學教育部重點實驗室 陳洪淵 院士

　　南京大學生命分析化學教育部重點實驗室陳洪淵院士作了題為《細胞圖案化、計數及其區分的研究》的報告，主要介紹了PDMS-金屬納米復合膜、PDMS上導電金膜、細胞傳感器和芯片等的制備，從而實現細胞圖案化，細胞計數及其區分。

　　PDMS-金屬納米復合膜制備

　　PDMS交聯反應，固化劑中的Si-H基團和單體中的和單體中的Si-CH2=CH2基團反應。紅外光譜表明，PDMS固化后殘留有Si-H，含量隨固化劑/單體質量比（η）增加而增加。當η=0.06，反應48h后，生成的金納米粒子存在于PDMS表面向集體內大約2μm的薄層內；通過調節η，可控制金納米粒子在PDMS膜中的分布及納米復合膜的顏色。隨后，陳教授舉了AgNPs/PDMS復合膜及金、銀納米粒子圖案例子。

　　PDMS上導電金膜的制備

　　利用PDMS基質中的-Si-H基團制備晶種；晶種誘導下鍍金液中懸浮金的沉降和成膜。鍍金液最佳配比為：1%HAuCl4，200g/LKHCO3，2%Glucose（體積比2:1:1）。

　　然后，利用電化學蝕刻即可實現PDMS點陣圖案和“金島”圖案的制備，并采用等離子體輔助的微接觸印刷/去印刷方法制備微電極，進而利用介電電泳控制細胞形成圖案。

　　細胞傳感器的制備

　　BGC823細胞檢測原理：1）基于測定探針[Fe（CN）6]3-/4-電子傳輸能力大小的變化，2）細胞膜自身的阻抗將抑制探針電子的傳輸能力，3）通過免疫反應引進的堿性磷酸酯酶（AP）能夠催化底物中的5-溴-4-氯-3-吲哚磷酸鹽（BCIP）水解生成一種能緊緊粘附在修飾電極表面的不溶性藍色二聚物，該不溶物將進一步抑制電子的傳輸能力。

　　接著，陳院士又簡要介紹了BGC823、APBA-MWNTs細胞傳感器的構建及檢測和基于CdS-PAMAM納米復合膜的細胞光電化學傳感器的構建及檢測。

　　基于芯片的雙信號細胞計數、區分器件制備

　　構建新型微流裝置以檢測單個流動細胞，實現細胞計數、細胞尺寸及種類區分、細胞狀態區分。

　　測量原理：低頻直流電場下，細胞膜不具導電性，易被極化，因此，當細胞通過微電極對間的測量區域時，阻抗、電容會同時發生改變，信號相應于細胞體積和細胞膜特性。

　　在以上工作基礎上，發展了一種基于芯片的雙信號細胞測試儀，此便攜式裝置無需對細胞進行染色，易于操控，且耗樣量小，費用低廉，易于其它操控和檢測方法結合集成。

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生物計算邏輯體系在生命分析化學中應用的前景

中國科學院長春應用化學研究所電分析化學國家重點實驗室 董紹俊 院士

　　 中國科學院長春應用化學研究所電分析化學國家重點實驗室董紹俊院士作了題為《生物計算邏輯體系在生命分析化學中應用的前景》的報告，主要介紹了數字信息處理的發展，自我供電和智能的邏輯適體傳感器，以及基于生物燃料電池的生物計算安全密碼鎖體系等三方面內容。

　　 數字信息處理的發展

　　邏輯門是（Logic Gates）是計算機信息處理的基本單元，以硅片為基礎的計算機因其集成電路的密度已接近理論極限而妨礙發展。近期科學家們已開始利用DNA計算來創造生物計算機，DNA邏輯門作為DNA計算的基礎同樣受到了廣泛關注。

　　生物化學體系中的信息處理建立一種新的DNA邏輯門（INH）。K+有助于富G-的DNA（PW17）結合hemin形成平行鏈結構，促進DNA酶活化；而Pb+誘導 PW17變構從平行到反平行，驅除hemin從G-四極子中逸出，降低DNA酶活性（INH gate）。生物催化反應在BFC的陰極室原位發生，生物陰極可逆的進行“開”和“關”。BFC的行為受免疫反應控制，類似于“NOR”邏輯門。接著董院士概述述了生物化學體系中的信息處理在智能醫療診斷和“芯片上的戰地醫院”的應用。

　　自我供電和智能的邏輯適體傳感器

　　適體控制的生物燃料電池邏輯體系——自我供電和智能的邏輯適體傳感器具有五個特點：適體傳感器、生物燃料電池、自我供電、智能和生物計算。設計時董院士第一次提出了適配子與生物燃料電池之間的“互惠"概念，即：基于適配子的邏輯生物信號作為控制生物燃料電池能量的輸出，及生物燃料電池作為適配子的傳感器。相對于傳統傳感器，它能邏輯確定樣品中兩種目標物是否同時存在，智能檢測復雜樣品中各種物質間的關系，并做出智能判斷。

　　在應用方面，董院士說如果我們將病理相關目標物適配子引入到本體系中，那么該體系就有進行醫學檢測和醫療診斷的潛在應用。

　　基于生物燃料電池的生物計算安全密碼鎖體系

　　董院士將生物燃料電池和密碼鎖相結合，進一步制備了一種新的生物計算安全體系，它具有模擬密碼鎖的功能。其特點是，能自我供電，并且可重復利用。這項研究有利于模擬和設計自然信號的傳導，新陳代謝和基因調控體系。

　　綜觀生物計算邏輯體系的快速發展，將在臨床診斷，活體監測以及在生命分析化學的應用中有美好前景。

發現新型化學污染物的技術途徑

中國科學院生態環境研究中心環境化學與生態毒理學國家重點實驗室 江桂斌 院士

　　中國科學院生態環境研究中心環境化學與生態毒理學國家重點實驗室江桂斌院士作了題為《發現新型化學污染物的技術途徑》的報告，主要講述了POPs物質的危害性和篩選、識別新型污染物等方面的內容。下面作簡要概述。

　　化學污染物在很長時間內是環境污染的主體，包括難揮發的重金屬、離子化合物、表面活性劑和高聚物等，易揮發的室內、空氣污染物等，以及半揮發的持久性有機污染物。過去10年間，隨著儀器分析技術特別是色譜與質譜技術的進步，若干環境中的新型污染物(Emerging Chemical Contaminants)被分離和鑒定出來。這些污染物所導致的環境與健康問題已經引起了國際社會的廣泛關注。從物理化學性質上看,大部分新POPs 物質的LogKow 均大于或等于5。它們不僅可以在環境中長期存在,而且可以通過大氣、水體或其它途徑傳播到各個區域。同時,由于這些污染物均具有較強的親脂性,容易在食物鏈中逐級放大,產生強烈的累積效應。除此之外, 這些新POPs 物質具有類似的毒性終點, 不僅具有致癌、致畸、致突變性，而且還具有內分泌干擾作用。

　　目前，聯合國UNEP 已將五溴聯苯醚、八溴聯苯醚、PFCs 等化學品列入斯德哥爾摩公約受控名單。然而對于公約新POPs 問題，我國的準備十分不足，基礎工作相當薄弱。除林丹外，上述其它新POPs 都還沒有列入我國環境保護的監控目標。缺乏標準的分離測定和分析方法及其質量保證體系是制約這一工作進展的瓶頸。由于新型污染物通常濃度較低、組分復雜，而且干擾物質較多，因此，對分析技術有更高的要求，發展高靈敏度和高選擇性的分離分析方法是解決問題的主要出路。

　　POPs的結構復雜、含量低、毒性差別大，如二惡英有２１０種、多氯聯苯２０９種、多溴聯苯醚２０９中，而且含量在ｐｐｔ或ｐｐｂ級。因此，測定POPs是環境分析化學最復雜和最困難的工作。目前江院士已掌握了１２種經典POPs的分析，而毒殺芬種類繁多，具有立體結構，其分析仍是現代有機分析的難題。現在我們已發展了同時測定Ｄｉｏｘｉｎｓ、ＰＣＢｓ和ＰＢＤＥｓ的方法體系，建立了各種介質中ＰＦＣｓ的高靈敏度分析方法、ＳＣＣＰ的分析方法等。

　　近年來，我們在新型污染物的篩選及識別技術方面開展了一些工作，通過下述三種不同的技術途徑篩選到一些新的污染物并開展了有關毒理學的前期研究：1）基于化合物定量結構-物化性質相關模型(QSPRs) 對環境中新型PBT物質的鑒別。2）基于質量平衡關系篩選和鑒別新型污染物。3）生物效應引導的新型污染物識別方法。通過將多維化學分析與毒性測定儀器相結合，研制出用于EDA 的成組毒理學分析儀（Integrated Toxicology Analyzer），并建立了以發育神經毒性為檢測終點，環境樣品中溴代阻燃劑等復合有機污染物的毒性篩選及識別方法。

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DNA保護的熒光銀納米簇的合成與分析應用研究

中科院院長春應用化學研究所電分析化學國家重點實驗室 汪爾康 院士

　　中科院院長春應用化學研究所電分析化學國家重點實驗室汪爾康院士作了題為《DNA保護的熒光銀納米簇及其分析應用》的報告，汪院士首先向我們講解了熒光貴金屬納米族的概念、優點、合成及意義，隨后重點介紹了熒光銀納米簇的合成、影響因素和檢測Hg2+離子等應用。

　　雜交雙鏈DNA模板合成熒光銀族及其對序列的依賴性在堿基差異識別的應用

　　當前文獻中關于DNA 做模板合成熒光銀族都是在單鏈DNA模板中，而且銀族的形成表現出了很強的序列依賴性。而汪院士嘗試在雜交雙鏈中合成熒光銀族，并研究銀族形成對序列的依賴性在堿基差異識別上的應用。

　　汪院士考察了Str-C/B雙鏈中產生的熒光光譜，并通過空白實驗和選擇性去探討其機理。通過改變胞嘧啶環位置和大小得到系列探針鏈，對比不同環位置、不同環大小的探針對兩個目標鏈的識別能力，并對通過PCR方法提取的健康人類基因片段和不同類型單堿基突變進行識別，從而首次在雜交DNA雙鏈結構中合成熒光銀族，并且發現得到的銀族對序列的相關性可以達到識別單堿基差異的水平，有望用于基因檢測。

　　陽離子聚合物對帶負電的DNA鏈保護的熒光銀納米族的影響

　　傳統上聚合物被廣泛應用于納米材料的改性，汪院士也研究了陽離子聚合物對帶負電的DNA鏈保護的熒光銀原子族的影響。結果發現PDDA加入銀納米族后將導致銀納米族的熒光發射發生巨大變化，表現為銀納米族在近紅外光區的發射增強。此外，PDDA可以顯著提高銀納米族的穩定性。

　　熒光銀納米族的應用研究

　　熒光銀納米族（SCs）是一類新型的熒光材料，銀納米族具有熒光效率高和尺寸小的優點，在光學器件、單分子熒光及分析化學領域具有很大的應用潛力。與QDs相比，SCs具有生物環境友好和更靈敏等優點。

　　汪院士以一種寡聚核酸（dC12）為例研究了不同的金屬離子對其熒光的影響，發現寡聚核酸保護的Ag族的熒光可被Hg2+選擇性地淬滅，從而發展出了基于這一新穎熒光探針的高選擇高靈敏檢測Hg2+的方法。

　　汪院士又以四種藥物配體（包括抗癌藥物、染色劑等）和DNA的相互作用為模型體系，對銀納米族作為熒光探針在生物分析中的適用性進行了研究。實驗結果表明，銀納米族可作為更為敏感且生物相容性的熒光探針在生物分析領域具有很大潛力。

新儀器在生物傳感領域的應用

湖南大學化學生物傳感與計量學國家重點實驗室 姚守拙 院士

　　湖南大學化學生物傳感與計量學國家重點實驗室姚守拙院士作了題為《新儀器在生物傳感器領域的應用》的報告，主要介紹了艾麗特全自動快速微生物培養監測系統和無線磁傳感測定儀研制及其在生物傳感中的應用。

　　艾麗特全自動快速微生物培養監測系統

　　臨床實驗室一項最重要的任務是對引起敗血癥的微生物進行培養、分離、鑒定及藥敏試驗，艾麗特全自動快速微生物培養監測系統正是我們實驗室工作的好助手。它的檢測原理：微生物在生長過程中能分解大分子成小分子，引起培養基電參數發生變化，壓電傳感能靈敏得響應這一變化，從而實現對微生物的在線檢測；功能：臨床微生物的快速培養檢測，藥敏性試驗；特點：靈敏、準確、快速、無需標記、成本低，體積小，假陽性率低，檢出時間比Bactec9120的檢測時間短，連續偵測、非侵入性檢測技術。

　　現有的同類產品，檢測手段一般是利用熒光、顏色和壓力的變化來判斷有無細菌生長。這不僅儀器與試劑非常昂貴，而且苛養菌、真菌易引起假陰性，白細胞過度生長等原因易引起假陽性率偏高。艾麗特全自動快速微生物培養監測系統原創性、技術含量高，擁有多項知識產權和ZL，如特制的檢測池，自行設計的穩定石英晶體震蕩電路，獨特的溫度控制系統、全新的軟件設計和界面設計。在中南大學湘雅醫院附三、附二醫院650例臨床實驗的平行測試中，所開發儀器穩定性好、靈敏度和檢測速度高于Bactec系統，可靠性與之相當。

　　無線磁傳感測定儀研制

　　無線磁傳感測定儀的信號激發與傳送通過磁場進行，是完全的無線無源傳感器。磁信號在抗磁性材料中沒有損耗，可用于密閉不透明容器中的無損測定和在體分析，磁傳感器對粘彈性響應靈敏，適合用于細菌實時檢測。傳感材料價格低廉，可作為一次性傳感器開發。

　　無線磁傳感測定儀測定原理：直流電經激勵線圈產生直流偏置磁場，交流信號經激勵線圈產生振幅恒定的交流磁場。傳感器振動在檢測線圈中產生感應電勢，當交變磁場頻率與傳感器固有機械頻率相等時，傳感器產生共振，具最大感應電勢。如何從強大的背景信號中檢測出微弱的感應信號？姚院士采用反繞去耦合檢測線圈，激勵信號在完全對稱的反繞去耦合檢測線圈中所產生的感應電勢大小相同，方向相反而相互抵消，測得的是傳感器產生的信號。無線磁傳感測定儀在持續激勵條件下測定傳感信號，穩定、靈敏。

　　接著，姚院士基于以上原理，介紹了一款葡萄糖生物傳感器，及其在微生物分析、實時監測胸腺腫瘤細胞生長和直接測定大腸桿菌等領域的應用。

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DNA單堿基突變的壓電與電化學檢測

湖南大學化學化工學院化學生物傳感與計量學國家重點實驗室 俞汝勤 院士

　　湖南大學化學化工學院化學生物傳感與計量學國家重點實驗室俞汝勤院士作了題為《DNA單堿基突變的壓電與電化學檢測》，主要介紹了檢測DNA單堿基突變的壓電與電化學傳感器設計。

　　壓電傳感器

　　雜交與等位特異性探針的連接反應可在傳感界面或在均勻溶液相中進行。在傳感界面上修飾巰基標記的寡核苷酸捕獲探針與目標基因突變位一側互補，與另一側互補的標記的寡核苷酸檢測探針配合，以目標基因為模板，利用連接酶介導捕獲探針與檢測探針的連接反應，結合熱變性處理，是實現目標基因的單堿基變異的區分的最基本途徑。

　　用納米金標記的檢測探針或末端生物素化的檢測探針將保留于傳感器表面，直接提供質量變化信號或利用親合素化的辣根過氧化物酶催化反應產生難溶沉淀，擴增質量變化信號。在均相溶液中進行雜交與連接則采用生物素標記的捕獲探針，最終借生物親和配合物的形成將檢測探針導向壓電傳感界面。

　　電化學傳感器

　　采用電化學傳感時，以二茂鐵標記的寡核苷酸檢測探針提供檢測信號并設計使捕獲探針與檢測探針兩端序列互補，連接的捕獲探針與檢測探針將形成分子信標（MB）發夾結構，有效提高二茂鐵標記的電化學反應效率改善靈敏度。

　　MB技術亦可直接用于單堿基突變電化學傳感器設計。生物素標記的分子信標固定于電極表面形成分子印跡結構，生物素因空間位阻不能與抗生蛋白鏈菌素－ＨＲＰ反應。當與目標鏈雜交反應后，分子信標識體發夾結構被打開，生物素離開電極表面，與抗生蛋白鏈菌素－ＨＲＰ反應。用電化學方法測試酶催化反應產物。特別在均相反應中綜合運用DNA聚合酶與連接酶完成二步連接反應后，再在界面傳感中采用MB技術進一步優化電化學檢測。

　　滾環放大是借鑒自然界中環狀病原生物體ＤＮＡ分子滾環式復制方式建立的可以在室溫下進行的核酸擴增技術具有快速、靈敏、特異等優點。其基本原理是將一條引物與掛鎖探針雜交形成環形模板結構，在ｄＮＴＰ存在的情況下通過ＤＮＡ聚合酶如Ｐｈｉ２９ＤＮＡ聚合酶使引物沿著環形模板進行復制，最后得到大量和環形模板互補的重復序列。滾環放大技術進行信號擴增能顯著改善單堿基突變電化學傳感器特性。基于臨近表面雜交分析思路，充分考慮不同系列的熔鏈溫度設計能有效降低背景信號。人工篩選合成的DNA酶如10-23為單堿基突變電化學傳感器設計提供了一種頗為獨特的有效工具。

　　考察了傳感器對不同數目的堿基錯配序列的響應。在２５０ｐＭ目標ＤＮＡ濃度下，完全匹配的目標ＤＮＡ的峰電流響應為２２５ｎＡ，空白峰電流為３７ｎＡ，而單堿基不匹配、四個堿基不匹配和完全不匹配的峰電流響應分別為６１、４４和３９ｎＡ。表明該電化學ＤＮＡ傳感器能夠高特異性的識別不同的堿基錯配情況。

　　中國科學院大連化學物理研究所國家色譜研究分析中心張玉奎院士作了題為《蛋白質組分離鑒定新技術新方法進展》的報告，主要介紹了高豐度蛋白質去除、低豐度蛋白質富集、多維多模式液相分離和多維多模式液相分離等方面的新技術新方法。

　　隨著蛋白質組研究的不斷深入，人們發現已有的商品化技術和儀器無法滿足具有數目巨大、豐度分布范圍極寬、理化性質差異顯等特點的蛋白質組分離鑒定的需求。近年來，針對蛋白質組的高效、高分辨、高通量分離和高靈敏度、高可靠性鑒定，發展了多種蛋白質組分離鑒定新技術新方法。

　　在高豐度蛋白質去除方面，發展了基于多維陣列液相色譜的通用型高豐度蛋白質去除技術；一次運行可去除58種高豐度蛋白質，并將樣品中蛋白質的鑒定數目提高2倍以上。此外，還發展了基于蛋白質印跡材料的高豐度蛋白質選擇性去除技術和基于蛋白質均衡器技術的降低蛋白質豐度分布范圍的方法。利用上述策略，均顯著提高了低豐度蛋白質的鑒定能力。

　　在低豐度蛋白質富集方面，研制了多種固載金屬親和色譜材料，包括無機有機雜化整體材料、聚合物顆粒和介孔材料，以及金屬氧化物氣溶膠和復合金屬氧化物微球，實現了磷酸化肽的高選擇性富集。此外，還研制了親水材料和硼酸功能化材料，實現了糖肽的高選擇性富集。

　　在多維多模式液相分離方面，研制了多種固定化酶反應器，實現了蛋白質組的在線快速酶解。研制了多種色譜柱和毛細管等電聚焦柱，提高了蛋白質和多肽分離的柱效和分辨率。建立了多維液相色譜、多維毛細管電泳和多維芯片毛細管電泳分離方法；通過與樣品預處理或在線酶解的集成，不僅提高了系統的分析通量，而且提高了蛋白質鑒定的可靠性。

　　在質譜高靈敏度鑒定方面，合成了新型磁性微納米材料，提高了基體輔助激光解吸離子化質譜對蛋白質鑒定靈敏度。發展了針對磷酸化肽的衍生技術，可不經過富集，直接實現磷酸化肽的高靈敏度鑒定。此外，還建立了多種質譜數據處理新方法。

　　上述發展的新技術、新方法和新平臺已用于實際蛋白質組樣品的分離鑒定，并發現了采用目前商品化技術和儀器無法獲得的蛋白質信息。