超氧陰離子自由基電化學(xué)分析的新進(jìn)展

王振+張立敏+田陽

摘要：超氧陰離子自由基（O·-2）是分子氧在生物體內(nèi)氧化還原反應(yīng)中產(chǎn)生的活性中間體，其動態(tài)變化可以提供豐富的生理、病理信息。因此，實(shí)時(shí)、在體檢測O·-2自由基的分析方法越來越受到人們的關(guān)注。電化學(xué)分析方法具有直觀、簡單、易微型化等優(yōu)點(diǎn)，在O·-2自由基檢測中得到了廣泛的應(yīng)用。本文從溶液/電極界面的設(shè)計(jì)入手，利用酶的直接電子傳遞，結(jié)合O·-2自由基的分析特性，簡要評述了近幾年電化學(xué)分析在細(xì)胞和活體內(nèi)O·-2自由基檢測方面的研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：超氧陰離子自由基； 活體； 電化學(xué)分析； 直接電子傳遞； 酶； 綜述

1引言

作為新陳代謝的活性中間體，正常狀態(tài)下O·-2自由基在生物體中保持相對穩(wěn)定的動態(tài)平衡。細(xì)胞自身的細(xì)胞色素c（Cytochrome c， Cyt. c）、超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase， SOD）等具有抗氧化能力，可以將O·-2自由基轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)進(jìn)行自我修復(fù)，這一系列的過程對細(xì)胞增殖、凋亡、損傷具有重要的影響，并在細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中起著十分重要的作用。當(dāng)細(xì)胞受到外界刺激或發(fā)生病變過程中會產(chǎn)生過量O·-2自由基，使得細(xì)胞產(chǎn)生氧化應(yīng)激，引起癌癥、神經(jīng)性疾病、帕金森病等生理病變[1～5]，從而對細(xì)胞的生理和病理功能產(chǎn)生重要的影響。因此，檢測生物體中O·-2自由基的濃度具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

然而，因?yàn)镺·-2自由基具有氧化活性高、體內(nèi)濃度低、壽命短等特點(diǎn)，所以需要發(fā)展原位、實(shí)時(shí)、活體的O·-2自由基檢測方法。電化學(xué)方法具有操作簡單、易微型化、靈敏度高、易于原位、實(shí)時(shí)、在體檢測等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注，其中，基于酶傳感器的電化學(xué)分析方法最為引人注目[6～11]。2溶液/電極界面的設(shè)計(jì)及酶的直接電子傳遞

2.1溶液/電極界面的設(shè)計(jì)

針對O·-2自由基的電化學(xué)分析，對溶液/電極界面進(jìn)行設(shè)計(jì)以改善和提高電極的分析性能是一個極其關(guān)鍵的問題[12～16]。酶自身體積較大，而活性中心通常都深埋在其內(nèi)部，從而加大了活性中心到電極表面的電子傳遞距離，不利于實(shí)現(xiàn)直接電子傳遞。第二代酶傳感器采用氧化還原電子媒介體在酶的氧化還原活性中心與電極之間傳遞電子，但存在媒介體的流失和干擾大的缺陷，給O·-2自由基的準(zhǔn)確測定帶來干擾，從而極大限制了其實(shí)際應(yīng)用。第三代酶傳感器的開發(fā)使這個領(lǐng)域向前邁進(jìn)了一大步。通過界面設(shè)計(jì)優(yōu)化，利用酶的直接電子傳遞機(jī)理克服了原先的不足，能夠?qū)崿F(xiàn)細(xì)胞或生物體中O·-2自由基的直接檢測。界面設(shè)計(jì)優(yōu)化是人為地設(shè)計(jì)電極表面微結(jié)構(gòu)和其界面反應(yīng)，通過將酶固定在電極表面上，使暴露的電活性中心更接近電極表面，實(shí)現(xiàn)酶與電極之間快速的電子傳遞，達(dá)到預(yù)期檢測的目標(biāo)。

2.1.1分子設(shè)計(jì)分子自組裝是對固體表面進(jìn)行修飾最為有效的手段之一。高度有序、結(jié)構(gòu)可控、定向密集的穩(wěn)定分子層為保持酶蛋白質(zhì)的天然結(jié)構(gòu)和構(gòu)象提供理想的微環(huán)境。同時(shí)，單分子作為加快電子傳遞的促進(jìn)劑，可以用于探索電極表面分子微結(jié)構(gòu)和宏觀電化學(xué)響應(yīng)之間的關(guān)系。巰基化物在金屬表面自組裝是目前研究得最廣泛、最深入的一類物質(zhì)。其自組裝膜有序性強(qiáng)，不易聚合，條件控制容易等優(yōu)點(diǎn)擴(kuò)展其在傳感方面研究和應(yīng)用的范圍。 Tian等[17]在金電極表面自組裝一層巰基半胱氨酸單分子膜來考察溶液中SOD的電化學(xué)活性，同時(shí)以裸金電極作為對比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)SOD能夠固定于分子修飾電極的表面上，使得電極反應(yīng)更容易實(shí)現(xiàn)，這可能由于半胱氨酸在界面自發(fā)形成的一種熱力學(xué)穩(wěn)定分子層，更有利于實(shí)現(xiàn)SOD“軟著陸”。隨后，他們又將3種SOD（Cu， ZnSOD，F(xiàn)eSOD 和MnSOD）分別固定在巰基半胱氨酸修飾的金電極界面上，首次同時(shí)實(shí)現(xiàn)3種SOD的直接電子傳遞；巰基半胱氨酸作為促進(jìn)劑加快電子的傳遞。通過分子設(shè)計(jì)在界面上自組裝單分子體系考察電子轉(zhuǎn)移過程，為更深層次的分子設(shè)計(jì)和功能組裝反饋信息[18]。

此外，作為一種常用的選擇性結(jié)合組氨酸標(biāo)記蛋白質(zhì)的方式，次氮基三乙酸/組氨酸（NTA/HT）技術(shù)成為組氨酸結(jié)合最成功的模版。其將蛋白質(zhì)定向有序固定在電極表面上，并加快電子傳遞。Jolnson等[19]利用該通用模版技術(shù)成功將蛋白質(zhì)固定在金電極表面上，通過大環(huán)效應(yīng)使NTA衍生物的三氮雜環(huán)與金屬離子穩(wěn)定反應(yīng)，使得該體系具有更高的穩(wěn)定性。

摘要：超氧陰離子自由基（O·-2）是分子氧在生物體內(nèi)氧化還原反應(yīng)中產(chǎn)生的活性中間體，其動態(tài)變化可以提供豐富的生理、病理信息。因此，實(shí)時(shí)、在體檢測O·-2自由基的分析方法越來越受到人們的關(guān)注。電化學(xué)分析方法具有直觀、簡單、易微型化等優(yōu)點(diǎn)，在O·-2自由基檢測中得到了廣泛的應(yīng)用。本文從溶液/電極界面的設(shè)計(jì)入手，利用酶的直接電子傳遞，結(jié)合O·-2自由基的分析特性，簡要評述了近幾年電化學(xué)分析在細(xì)胞和活體內(nèi)O·-2自由基檢測方面的研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：超氧陰離子自由基； 活體； 電化學(xué)分析； 直接電子傳遞； 酶； 綜述

1引言

作為新陳代謝的活性中間體，正常狀態(tài)下O·-2自由基在生物體中保持相對穩(wěn)定的動態(tài)平衡。細(xì)胞自身的細(xì)胞色素c（Cytochrome c， Cyt. c）、超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase， SOD）等具有抗氧化能力，可以將O·-2自由基轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)進(jìn)行自我修復(fù)，這一系列的過程對細(xì)胞增殖、凋亡、損傷具有重要的影響，并在細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中起著十分重要的作用。當(dāng)細(xì)胞受到外界刺激或發(fā)生病變過程中會產(chǎn)生過量O·-2自由基，使得細(xì)胞產(chǎn)生氧化應(yīng)激，引起癌癥、神經(jīng)性疾病、帕金森病等生理病變[1～5]，從而對細(xì)胞的生理和病理功能產(chǎn)生重要的影響。因此，檢測生物體中O·-2自由基的濃度具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

然而，因?yàn)镺·-2自由基具有氧化活性高、體內(nèi)濃度低、壽命短等特點(diǎn)，所以需要發(fā)展原位、實(shí)時(shí)、活體的O·-2自由基檢測方法。電化學(xué)方法具有操作簡單、易微型化、靈敏度高、易于原位、實(shí)時(shí)、在體檢測等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注，其中，基于酶傳感器的電化學(xué)分析方法最為引人注目[6～11]。2溶液/電極界面的設(shè)計(jì)及酶的直接電子傳遞

2.1溶液/電極界面的設(shè)計(jì)

針對O·-2自由基的電化學(xué)分析，對溶液/電極界面進(jìn)行設(shè)計(jì)以改善和提高電極的分析性能是一個極其關(guān)鍵的問題[12～16]。酶自身體積較大，而活性中心通常都深埋在其內(nèi)部，從而加大了活性中心到電極表面的電子傳遞距離，不利于實(shí)現(xiàn)直接電子傳遞。第二代酶傳感器采用氧化還原電子媒介體在酶的氧化還原活性中心與電極之間傳遞電子，但存在媒介體的流失和干擾大的缺陷，給O·-2自由基的準(zhǔn)確測定帶來干擾，從而極大限制了其實(shí)際應(yīng)用。第三代酶傳感器的開發(fā)使這個領(lǐng)域向前邁進(jìn)了一大步。通過界面設(shè)計(jì)優(yōu)化，利用酶的直接電子傳遞機(jī)理克服了原先的不足，能夠?qū)崿F(xiàn)細(xì)胞或生物體中O·-2自由基的直接檢測。界面設(shè)計(jì)優(yōu)化是人為地設(shè)計(jì)電極表面微結(jié)構(gòu)和其界面反應(yīng)，通過將酶固定在電極表面上，使暴露的電活性中心更接近電極表面，實(shí)現(xiàn)酶與電極之間快速的電子傳遞，達(dá)到預(yù)期檢測的目標(biāo)。

2.1.1分子設(shè)計(jì)分子自組裝是對固體表面進(jìn)行修飾最為有效的手段之一。高度有序、結(jié)構(gòu)可控、定向密集的穩(wěn)定分子層為保持酶蛋白質(zhì)的天然結(jié)構(gòu)和構(gòu)象提供理想的微環(huán)境。同時(shí)，單分子作為加快電子傳遞的促進(jìn)劑，可以用于探索電極表面分子微結(jié)構(gòu)和宏觀電化學(xué)響應(yīng)之間的關(guān)系。巰基化物在金屬表面自組裝是目前研究得最廣泛、最深入的一類物質(zhì)。其自組裝膜有序性強(qiáng)，不易聚合，條件控制容易等優(yōu)點(diǎn)擴(kuò)展其在傳感方面研究和應(yīng)用的范圍。 Tian等[17]在金電極表面自組裝一層巰基半胱氨酸單分子膜來考察溶液中SOD的電化學(xué)活性，同時(shí)以裸金電極作為對比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)SOD能夠固定于分子修飾電極的表面上，使得電極反應(yīng)更容易實(shí)現(xiàn)，這可能由于半胱氨酸在界面自發(fā)形成的一種熱力學(xué)穩(wěn)定分子層，更有利于實(shí)現(xiàn)SOD“軟著陸”。隨后，他們又將3種SOD（Cu， ZnSOD，F(xiàn)eSOD 和MnSOD）分別固定在巰基半胱氨酸修飾的金電極界面上，首次同時(shí)實(shí)現(xiàn)3種SOD的直接電子傳遞；巰基半胱氨酸作為促進(jìn)劑加快電子的傳遞。通過分子設(shè)計(jì)在界面上自組裝單分子體系考察電子轉(zhuǎn)移過程，為更深層次的分子設(shè)計(jì)和功能組裝反饋信息[18]。

此外，作為一種常用的選擇性結(jié)合組氨酸標(biāo)記蛋白質(zhì)的方式，次氮基三乙酸/組氨酸（NTA/HT）技術(shù)成為組氨酸結(jié)合最成功的模版。其將蛋白質(zhì)定向有序固定在電極表面上，并加快電子傳遞。Jolnson等[19]利用該通用模版技術(shù)成功將蛋白質(zhì)固定在金電極表面上，通過大環(huán)效應(yīng)使NTA衍生物的三氮雜環(huán)與金屬離子穩(wěn)定反應(yīng)，使得該體系具有更高的穩(wěn)定性。

摘要：超氧陰離子自由基（O·-2）是分子氧在生物體內(nèi)氧化還原反應(yīng)中產(chǎn)生的活性中間體，其動態(tài)變化可以提供豐富的生理、病理信息。因此，實(shí)時(shí)、在體檢測O·-2自由基的分析方法越來越受到人們的關(guān)注。電化學(xué)分析方法具有直觀、簡單、易微型化等優(yōu)點(diǎn)，在O·-2自由基檢測中得到了廣泛的應(yīng)用。本文從溶液/電極界面的設(shè)計(jì)入手，利用酶的直接電子傳遞，結(jié)合O·-2自由基的分析特性，簡要評述了近幾年電化學(xué)分析在細(xì)胞和活體內(nèi)O·-2自由基檢測方面的研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：超氧陰離子自由基； 活體； 電化學(xué)分析； 直接電子傳遞； 酶； 綜述

1引言

作為新陳代謝的活性中間體，正常狀態(tài)下O·-2自由基在生物體中保持相對穩(wěn)定的動態(tài)平衡。細(xì)胞自身的細(xì)胞色素c（Cytochrome c， Cyt. c）、超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase， SOD）等具有抗氧化能力，可以將O·-2自由基轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)進(jìn)行自我修復(fù)，這一系列的過程對細(xì)胞增殖、凋亡、損傷具有重要的影響，并在細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中起著十分重要的作用。當(dāng)細(xì)胞受到外界刺激或發(fā)生病變過程中會產(chǎn)生過量O·-2自由基，使得細(xì)胞產(chǎn)生氧化應(yīng)激，引起癌癥、神經(jīng)性疾病、帕金森病等生理病變[1～5]，從而對細(xì)胞的生理和病理功能產(chǎn)生重要的影響。因此，檢測生物體中O·-2自由基的濃度具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

然而，因?yàn)镺·-2自由基具有氧化活性高、體內(nèi)濃度低、壽命短等特點(diǎn)，所以需要發(fā)展原位、實(shí)時(shí)、活體的O·-2自由基檢測方法。電化學(xué)方法具有操作簡單、易微型化、靈敏度高、易于原位、實(shí)時(shí)、在體檢測等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注，其中，基于酶傳感器的電化學(xué)分析方法最為引人注目[6～11]。2溶液/電極界面的設(shè)計(jì)及酶的直接電子傳遞

2.1溶液/電極界面的設(shè)計(jì)

針對O·-2自由基的電化學(xué)分析，對溶液/電極界面進(jìn)行設(shè)計(jì)以改善和提高電極的分析性能是一個極其關(guān)鍵的問題[12～16]。酶自身體積較大，而活性中心通常都深埋在其內(nèi)部，從而加大了活性中心到電極表面的電子傳遞距離，不利于實(shí)現(xiàn)直接電子傳遞。第二代酶傳感器采用氧化還原電子媒介體在酶的氧化還原活性中心與電極之間傳遞電子，但存在媒介體的流失和干擾大的缺陷，給O·-2自由基的準(zhǔn)確測定帶來干擾，從而極大限制了其實(shí)際應(yīng)用。第三代酶傳感器的開發(fā)使這個領(lǐng)域向前邁進(jìn)了一大步。通過界面設(shè)計(jì)優(yōu)化，利用酶的直接電子傳遞機(jī)理克服了原先的不足，能夠?qū)崿F(xiàn)細(xì)胞或生物體中O·-2自由基的直接檢測。界面設(shè)計(jì)優(yōu)化是人為地設(shè)計(jì)電極表面微結(jié)構(gòu)和其界面反應(yīng)，通過將酶固定在電極表面上，使暴露的電活性中心更接近電極表面，實(shí)現(xiàn)酶與電極之間快速的電子傳遞，達(dá)到預(yù)期檢測的目標(biāo)。

2.1.1分子設(shè)計(jì)分子自組裝是對固體表面進(jìn)行修飾最為有效的手段之一。高度有序、結(jié)構(gòu)可控、定向密集的穩(wěn)定分子層為保持酶蛋白質(zhì)的天然結(jié)構(gòu)和構(gòu)象提供理想的微環(huán)境。同時(shí)，單分子作為加快電子傳遞的促進(jìn)劑，可以用于探索電極表面分子微結(jié)構(gòu)和宏觀電化學(xué)響應(yīng)之間的關(guān)系。巰基化物在金屬表面自組裝是目前研究得最廣泛、最深入的一類物質(zhì)。其自組裝膜有序性強(qiáng)，不易聚合，條件控制容易等優(yōu)點(diǎn)擴(kuò)展其在傳感方面研究和應(yīng)用的范圍。 Tian等[17]在金電極表面自組裝一層巰基半胱氨酸單分子膜來考察溶液中SOD的電化學(xué)活性，同時(shí)以裸金電極作為對比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)SOD能夠固定于分子修飾電極的表面上，使得電極反應(yīng)更容易實(shí)現(xiàn)，這可能由于半胱氨酸在界面自發(fā)形成的一種熱力學(xué)穩(wěn)定分子層，更有利于實(shí)現(xiàn)SOD“軟著陸”。隨后，他們又將3種SOD（Cu， ZnSOD，F(xiàn)eSOD 和MnSOD）分別固定在巰基半胱氨酸修飾的金電極界面上，首次同時(shí)實(shí)現(xiàn)3種SOD的直接電子傳遞；巰基半胱氨酸作為促進(jìn)劑加快電子的傳遞。通過分子設(shè)計(jì)在界面上自組裝單分子體系考察電子轉(zhuǎn)移過程，為更深層次的分子設(shè)計(jì)和功能組裝反饋信息[18]。

此外，作為一種常用的選擇性結(jié)合組氨酸標(biāo)記蛋白質(zhì)的方式，次氮基三乙酸/組氨酸（NTA/HT）技術(shù)成為組氨酸結(jié)合最成功的模版。其將蛋白質(zhì)定向有序固定在電極表面上，并加快電子傳遞。Jolnson等[19]利用該通用模版技術(shù)成功將蛋白質(zhì)固定在金電極表面上，通過大環(huán)效應(yīng)使NTA衍生物的三氮雜環(huán)與金屬離子穩(wěn)定反應(yīng)，使得該體系具有更高的穩(wěn)定性。