八院士齐聚全国生命分析化学大会盛况空前

　　２０１０年８月２０日第三届全国生命分析化学学术报告与研讨会在北京大学隆重开幕，中国分析化学界的八位院士全部出席，而且带来了精彩的学术报告。

生命活体分析——核成像技术

中国科学院高能物理所多学科中心核分析重点实验室 柴之芳 院士

　　中国科学院高能物理所多学科中心核分析重点实验室柴之芳院士作了题为《生命活体分析——核成像技术》的报告，主要介绍了核成像方法技术，应用和发展方向等内容。

　　生命的本质在于活动。为了研究生命现象及其变化过程，我们不仅需要知道生命活体的组成和结构，更需要探索生命活体的代谢过程和活动变化规律。核成像技术就是研究生命活动的有力武器之一。

　　核成像系指基于核辐射、核效应、核谱学和核装置的现代成像技术。用于生命成像研究的核方法包括单光子发射计算机断层扫描技术（Single Photon Emission Computerized Tomography, SPECT），正电子发射计算机断层扫描技术（Positron Emission Tomography, PET），基于x射线发射的成像技术，以及基于同步辐射的x射线成像技术等。柴院士重点讲述以PET为代表的核成像技术。

　　PET设备的成像原理：质子和中子碰撞产生一个正电子，正电子和负电子的相互作用生成两个光子，这两个光子即被用来成像，示意图如下：

PET设备成像原理示意图

　　PET涉及几项关键技术：1）10mCi活度药物，2）64个探测器情况下，电子学数据处理量14.4Gb/s，3）3D方式数据采集，符合线6.6×107。接着，柴院士举了高能所小型PET及鼠扫描成像实例。同时，柴院士还介绍了PET在乳腺癌、心血管病海洛因吸食患者等方面的应用。

　　PET的发展方向：1）追求更高的空间分辨率，人体小于1mm，动物小于0.5mm；2）追求多样化；3）追求多模态，一次提供我们需要的全部信息；4）新方法，如改善响应信号、飞行时间和标记化合物等。

细胞图案化、计数及其区分的研究

南京大学生命分析化学教育部重点实验室 陈洪渊 院士

　　南京大学生命分析化学教育部重点实验室陈洪渊院士作了题为《细胞图案化、计数及其区分的研究》的报告，主要介绍了PDMS-金属纳米复合膜、PDMS上导电金膜、细胞传感器和芯片等的制备，从而实现细胞图案化，细胞计数及其区分。

　　PDMS-金属纳米复合膜制备

　　PDMS交联反应，固化剂中的Si-H基团和单体中的和单体中的Si-CH2=CH2基团反应。红外光谱表明，PDMS固化后残留有Si-H，含量随固化剂/单体质量比（η）增加而增加。当η=0.06，反应48h后，生成的金纳米粒子存在于PDMS表面向集体内大约2µm的薄层内；通过调节η，可控制金纳米粒子在PDMS膜中的分布及纳米复合膜的颜色。随后，陈教授举了AgNPs/PDMS复合膜及金、银纳米粒子图案例子。

　　PDMS上导电金膜的制备

　　利用PDMS基质中的-Si-H基团制备晶种；晶种诱导下镀金液中悬浮金的沉降和成膜。镀金液最佳配比为：1%HAuCl4，200g/LKHCO3，2%Glucose（体积比2:1:1）。

　　然后，利用电化学蚀刻即可实现PDMS点阵图案和“金岛”图案的制备，并采用等离子体辅助的微接触印刷/去印刷方法制备微电极，进而利用介电电泳控制细胞形成图案。

　　细胞传感器的制备

　　BGC823细胞检测原理：1）基于测定探针[Fe（CN）6]3-/4-电子传输能力大小的变化，2）细胞膜自身的阻抗将抑制探针电子的传输能力，3）通过免疫反应引进的碱性磷酸酯酶（AP）能够催化底物中的5-溴-4-氯-3-吲哚磷酸盐（BCIP）水解生成一种能紧紧粘附在修饰电极表面的不溶性蓝色二聚物，该不溶物将进一步抑制电子的传输能力。

　　接着，陈院士又简要介绍了BGC823、APBA-MWNTs细胞传感器的构建及检测和基于CdS-PAMAM纳米复合膜的细胞光电化学传感器的构建及检测。

　　基于芯片的双信号细胞计数、区分器件制备

　　构建新型微流装置以检测单个流动细胞，实现细胞计数、细胞尺寸及种类区分、细胞状态区分。

　　测量原理：低频直流电场下，细胞膜不具导电性，易被极化，因此，当细胞通过微电极对间的测量区域时，阻抗、电容会同时发生改变，信号相应于细胞体积和细胞膜特性。

　　在以上工作基础上，发展了一种基于芯片的双信号细胞测试仪，此便携式装置无需对细胞进行染色，易于操控，且耗样量小，费用低廉，易于其它操控和检测方法结合集成。

,

生物计算逻辑体系在生命分析化学中应用的前景

中国科学院长春应用化学研究所电分析化学国家重点实验室 董绍俊 院士

　　 中国科学院长春应用化学研究所电分析化学国家重点实验室董绍俊院士作了题为《生物计算逻辑体系在生命分析化学中应用的前景》的报告，主要介绍了数字信息处理的发展，自我供电和智能的逻辑适体传感器，以及基于生物燃料电池的生物计算安全密码锁体系等三方面内容。

　　 数字信息处理的发展

　　逻辑门是（Logic Gates）是计算机信息处理的基本单元，以硅片为基础的计算机因其集成电路的密度已接近理论极限而妨碍发展。近期科学家们已开始利用DNA计算来创造生物计算机，DNA逻辑门作为DNA计算的基础同样受到了广泛关注。

　　生物化学体系中的信息处理建立一种新的DNA逻辑门（INH）。K+有助于富G-的DNA（PW17）结合hemin形成平行链结构，促进DNA酶活化；而Pb+诱导 PW17变构从平行到反平行，驱除hemin从G-四极子中逸出，降低DNA酶活性（INH gate）。生物催化反应在BFC的阴极室原位发生，生物阴极可逆的进行“开”和“关”。BFC的行为受免疫反应控制，类似于“NOR”逻辑门。接着董院士概述述了生物化学体系中的信息处理在智能医疗诊断和“芯片上的战地医院”的应用。

　　自我供电和智能的逻辑适体传感器

　　适体控制的生物燃料电池逻辑体系——自我供电和智能的逻辑适体传感器具有五个特点：适体传感器、生物燃料电池、自我供电、智能和生物计算。设计时董院士第一次提出了适配子与生物燃料电池之间的“互惠"概念，即：基于适配子的逻辑生物信号作为控制生物燃料电池能量的输出，及生物燃料电池作为适配子的传感器。相对于传统传感器，它能逻辑确定样品中两种目标物是否同时存在，智能检测复杂样品中各种物质间的关系，并做出智能判断。

　　在应用方面，董院士说如果我们将病理相关目标物适配子引入到本体系中，那么该体系就有进行医学检测和医疗诊断的潜在应用。

　　基于生物燃料电池的生物计算安全密码锁体系

　　董院士将生物燃料电池和密码锁相结合，进一步制备了一种新的生物计算安全体系，它具有模拟密码锁的功能。其特点是，能自我供电，并且可重复利用。这项研究有利于模拟和设计自然信号的传导，新陈代谢和基因调控体系。

　　综观生物计算逻辑体系的快速发展，将在临床诊断，活体监测以及在生命分析化学的应用中有美好前景。

发现新型化学污染物的技术途径

中国科学院生态环境研究中心环境化学与生态毒理学国家重点实验室 江桂斌 院士

　　中国科学院生态环境研究中心环境化学与生态毒理学国家重点实验室江桂斌院士作了题为《发现新型化学污染物的技术途径》的报告，主要讲述了POPs物质的危害性和筛选、识别新型污染物等方面的内容。下面作简要概述。

　　化学污染物在很长时间内是环境污染的主体，包括难挥发的重金属、离子化合物、表面活性剂和高聚物等，易挥发的室内、空气污染物等，以及半挥发的持久性有机污染物。过去10年间，随着仪器分析技术特别是色谱与质谱技术的进步，若干环境中的新型污染物(Emerging Chemical Contaminants)被分离和鉴定出来。这些污染物所导致的环境与健康问题已经引起了国际社会的广泛关注。从物理化学性质上看,大部分新POPs 物质的LogKow 均大于或等于5。它们不仅可以在环境中长期存在,而且可以通过大气、水体或其它途径传播到各个区域。同时,由于这些污染物均具有较强的亲脂性,容易在食物链中逐级放大,产生强烈的累积效应。除此之外, 这些新POPs 物质具有类似的毒性终点, 不仅具有致癌、致畸、致突变性，而且还具有内分泌干扰作用。

　　目前，联合国UNEP 已将五溴联苯醚、八溴联苯醚、PFCs 等化学品列入斯德哥尔摩公约受控名单。然而对于公约新POPs 问题，我国的准备十分不足，基础工作相当薄弱。除林丹外，上述其它新POPs 都还没有列入我国环境保护的监控目标。缺乏标准的分离测定和分析方法及其质量保证体系是制约这一工作进展的瓶颈。由于新型污染物通常浓度较低、组分复杂，而且干扰物质较多，因此，对分析技术有更高的要求，发展高灵敏度和高选择性的分离分析方法是解决问题的主要出路。

　　POPs的结构复杂、含量低、毒性差别大，如二恶英有２１０种、多氯联苯２０９种、多溴联苯醚２０９中，而且含量在ｐｐｔ或ｐｐｂ级。因此，测定POPs是环境分析化学最复杂和最困难的工作。目前江院士已掌握了１２种经典POPs的分析，而毒杀芬种类繁多，具有立体结构，其分析仍是现代有机分析的难题。现在我们已发展了同时测定Ｄｉｏｘｉｎｓ、ＰＣＢｓ和ＰＢＤＥｓ的方法体系，建立了各种介质中ＰＦＣｓ的高灵敏度分析方法、ＳＣＣＰ的分析方法等。

　　近年来，我们在新型污染物的筛选及识别技术方面开展了一些工作，通过下述三种不同的技术途径筛选到一些新的污染物并开展了有关毒理学的前期研究：1）基于化合物定量结构-物化性质相关模型(QSPRs) 对环境中新型PBT物质的鉴别。2）基于质量平衡关系筛选和鉴别新型污染物。3）生物效应引导的新型污染物识别方法。通过将多维化学分析与毒性测定仪器相结合，研制出用于EDA 的成组毒理学分析仪（Integrated Toxicology Analyzer），并建立了以发育神经毒性为检测终点，环境样品中溴代阻燃剂等复合有机污染物的毒性筛选及识别方法。

,

DNA保护的荧光银纳米簇的合成与分析应用研究

中科院院长春应用化学研究所电分析化学国家重点实验室 汪尔康 院士

　　中科院院长春应用化学研究所电分析化学国家重点实验室汪尔康院士作了题为《DNA保护的荧光银纳米簇及其分析应用》的报告，汪院士首先向我们讲解了荧光贵金属纳米族的概念、优点、合成及意义，随后重点介绍了荧光银纳米簇的合成、影响因素和检测Hg2+离子等应用。

　　杂交双链DNA模板合成荧光银族及其对序列的依赖性在碱基差异识别的应用

　　当前文献中关于DNA 做模板合成荧光银族都是在单链DNA模板中，而且银族的形成表现出了很强的序列依赖性。而汪院士尝试在杂交双链中合成荧光银族，并研究银族形成对序列的依赖性在碱基差异识别上的应用。

　　汪院士考察了Str-C/B双链中产生的荧光光谱，并通过空白实验和选择性去探讨其机理。通过改变胞嘧啶环位置和大小得到系列探针链，对比不同环位置、不同环大小的探针对两个目标链的识别能力，并对通过PCR方法提取的健康人类基因片段和不同类型单碱基突变进行识别，从而首次在杂交DNA双链结构中合成荧光银族，并且发现得到的银族对序列的相关性可以达到识别单碱基差异的水平，有望用于基因检测。

　　阳离子聚合物对带负电的DNA链保护的荧光银纳米族的影响

　　传统上聚合物被广泛应用于纳米材料的改性，汪院士也研究了阳离子聚合物对带负电的DNA链保护的荧光银原子族的影响。结果发现PDDA加入银纳米族后将导致银纳米族的荧光发射发生巨大变化，表现为银纳米族在近红外光区的发射增强。此外，PDDA可以显著提高银纳米族的稳定性。

　　荧光银纳米族的应用研究

　　荧光银纳米族（SCs）是一类新型的荧光材料，银纳米族具有荧光效率高和尺寸小的优点，在光学器件、单分子荧光及分析化学领域具有很大的应用潜力。与QDs相比，SCs具有生物环境友好和更灵敏等优点。

　　汪院士以一种寡聚核酸（dC12）为例研究了不同的金属离子对其荧光的影响，发现寡聚核酸保护的Ag族的荧光可被Hg2+选择性地淬灭，从而发展出了基于这一新颖荧光探针的高选择高灵敏检测Hg2+的方法。

　　汪院士又以四种药物配体（包括抗癌药物、染色剂等）和DNA的相互作用为模型体系，对银纳米族作为荧光探针在生物分析中的适用性进行了研究。实验结果表明，银纳米族可作为更为敏感且生物相容性的荧光探针在生物分析领域具有很大潜力。

新仪器在生物传感领域的应用

湖南大学化学生物传感与计量学国家重点实验室 姚守拙 院士

　　湖南大学化学生物传感与计量学国家重点实验室姚守拙院士作了题为《新仪器在生物传感器领域的应用》的报告，主要介绍了艾丽特全自动快速微生物培养监测系统和无线磁传感测定仪研制及其在生物传感中的应用。

　　艾丽特全自动快速微生物培养监测系统

　　临床实验室一项最重要的任务是对引起败血症的微生物进行培养、分离、鉴定及药敏试验，艾丽特全自动快速微生物培养监测系统正是我们实验室工作的好助手。它的检测原理：微生物在生长过程中能分解大分子成小分子，引起培养基电参数发生变化，压电传感能灵敏得响应这一变化，从而实现对微生物的在线检测；功能：临床微生物的快速培养检测，药敏性试验；特点：灵敏、准确、快速、无需标记、成本低，体积小，假阳性率低，检出时间比Bactec9120的检测时间短，连续侦测、非侵入性检测技术。

　　现有的同类产品，检测手段一般是利用荧光、颜色和压力的变化来判断有无细菌生长。这不仅仪器与试剂非常昂贵，而且苛养菌、真菌易引起假阴性，白细胞过度生长等原因易引起假阳性率偏高。艾丽特全自动快速微生物培养监测系统原创性、技术含量高，拥有多项知识产权和ZL，如特制的检测池，自行设计的稳定石英晶体震荡电路，独特的温度控制系统、全新的软件设计和界面设计。在中南大学湘雅医院附三、附二医院650例临床实验的平行测试中，所开发仪器稳定性好、灵敏度和检测速度高于Bactec系统，可靠性与之相当。

　　无线磁传感测定仪研制

　　无线磁传感测定仪的信号激发与传送通过磁场进行，是完全的无线无源传感器。磁信号在抗磁性材料中没有损耗，可用于密闭不透明容器中的无损测定和在体分析，磁传感器对粘弹性响应灵敏，适合用于细菌实时检测。传感材料价格低廉，可作为一次性传感器开发。

　　无线磁传感测定仪测定原理：直流电经激励线圈产生直流偏置磁场，交流信号经激励线圈产生振幅恒定的交流磁场。传感器振动在检测线圈中产生感应电势，当交变磁场频率与传感器固有机械频率相等时，传感器产生共振，具最大感应电势。如何从强大的背景信号中检测出微弱的感应信号？姚院士采用反绕去耦合检测线圈，激励信号在完全对称的反绕去耦合检测线圈中所产生的感应电势大小相同，方向相反而相互抵消，测得的是传感器产生的信号。无线磁传感测定仪在持续激励条件下测定传感信号，稳定、灵敏。

　　接着，姚院士基于以上原理，介绍了一款葡萄糖生物传感器，及其在微生物分析、实时监测胸腺肿瘤细胞生长和直接测定大肠杆菌等领域的应用。

,

DNA单碱基突变的压电与电化学检测

湖南大学化学化工学院化学生物传感与计量学国家重点实验室 俞汝勤 院士

　　湖南大学化学化工学院化学生物传感与计量学国家重点实验室俞汝勤院士作了题为《DNA单碱基突变的压电与电化学检测》，主要介绍了检测DNA单碱基突变的压电与电化学传感器设计。

　　压电传感器

　　杂交与等位特异性探针的连接反应可在传感界面或在均匀溶液相中进行。在传感界面上修饰巯基标记的寡核苷酸捕获探针与目标基因突变位一侧互补，与另一侧互补的标记的寡核苷酸检测探针配合，以目标基因为模板，利用连接酶介导捕获探针与检测探针的连接反应，结合热变性处理，是实现目标基因的单碱基变异的区分的最基本途径。

　　用纳米金标记的检测探针或末端生物素化的检测探针将保留于传感器表面，直接提供质量变化信号或利用亲合素化的辣根过氧化物酶催化反应产生难溶沉淀，扩增质量变化信号。在均相溶液中进行杂交与连接则采用生物素标记的捕获探针，最终借生物亲和配合物的形成将检测探针导向压电传感界面。

　　电化学传感器

　　采用电化学传感时，以二茂铁标记的寡核苷酸检测探针提供检测信号并设计使捕获探针与检测探针两端序列互补，连接的捕获探针与检测探针将形成分子信标（MB）发夹结构，有效提高二茂铁标记的电化学反应效率改善灵敏度。

　　MB技术亦可直接用于单碱基突变电化学传感器设计。生物素标记的分子信标固定于电极表面形成分子印迹结构，生物素因空间位阻不能与抗生蛋白链菌素－ＨＲＰ反应。当与目标链杂交反应后，分子信标识体发夹结构被打开，生物素离开电极表面，与抗生蛋白链菌素－ＨＲＰ反应。用电化学方法测试酶催化反应产物。特别在均相反应中综合运用DNA聚合酶与连接酶完成二步连接反应后，再在界面传感中采用MB技术进一步优化电化学检测。

　　滚环放大是借鉴自然界中环状病原生物体ＤＮＡ分子滚环式复制方式建立的可以在室温下进行的核酸扩增技术具有快速、灵敏、特异等优点。其基本原理是将一条引物与挂锁探针杂交形成环形模板结构，在ｄＮＴＰ存在的情况下通过ＤＮＡ聚合酶如Ｐｈｉ２９ＤＮＡ聚合酶使引物沿着环形模板进行复制，最后得到大量和环形模板互补的重复序列。滚环放大技术进行信号扩增能显著改善单碱基突变电化学传感器特性。基于临近表面杂交分析思路，充分考虑不同系列的熔链温度设计能有效降低背景信号。人工筛选合成的DNA酶如10-23为单碱基突变电化学传感器设计提供了一种颇为独特的有效工具。

　　考察了传感器对不同数目的碱基错配序列的响应。在２５０ｐＭ目标ＤＮＡ浓度下，完全匹配的目标ＤＮＡ的峰电流响应为２２５ｎＡ，空白峰电流为３７ｎＡ，而单碱基不匹配、四个碱基不匹配和完全不匹配的峰电流响应分别为６１、４４和３９ｎＡ。表明该电化学ＤＮＡ传感器能够高特异性的识别不同的碱基错配情况。

　　中国科学院大连化学物理研究所国家色谱研究分析中心张玉奎院士作了题为《蛋白质组分离鉴定新技术新方法进展》的报告，主要介绍了高丰度蛋白质去除、低丰度蛋白质富集、多维多模式液相分离和多维多模式液相分离等方面的新技术新方法。

　　随着蛋白质组研究的不断深入，人们发现已有的商品化技术和仪器无法满足具有数目巨大、丰度分布范围极宽、理化性质差异显等特点的蛋白质组分离鉴定的需求。近年来，针对蛋白质组的高效、高分辨、高通量分离和高灵敏度、高可靠性鉴定，发展了多种蛋白质组分离鉴定新技术新方法。

　　在高丰度蛋白质去除方面，发展了基于多维阵列液相色谱的通用型高丰度蛋白质去除技术；一次运行可去除58种高丰度蛋白质，并将样品中蛋白质的鉴定数目提高2倍以上。此外，还发展了基于蛋白质印迹材料的高丰度蛋白质选择性去除技术和基于蛋白质均衡器技术的降低蛋白质丰度分布范围的方法。利用上述策略，均显著提高了低丰度蛋白质的鉴定能力。

　　在低丰度蛋白质富集方面，研制了多种固载金属亲和色谱材料，包括无机有机杂化整体材料、聚合物颗粒和介孔材料，以及金属氧化物气溶胶和复合金属氧化物微球，实现了磷酸化肽的高选择性富集。此外，还研制了亲水材料和硼酸功能化材料，实现了糖肽的高选择性富集。

　　在多维多模式液相分离方面，研制了多种固定化酶反应器，实现了蛋白质组的在线快速酶解。研制了多种色谱柱和毛细管等电聚焦柱，提高了蛋白质和多肽分离的柱效和分辨率。建立了多维液相色谱、多维毛细管电泳和多维芯片毛细管电泳分离方法；通过与样品预处理或在线酶解的集成，不仅提高了系统的分析通量，而且提高了蛋白质鉴定的可靠性。

　　在质谱高灵敏度鉴定方面，合成了新型磁性微纳米材料，提高了基体辅助激光解吸离子化质谱对蛋白质鉴定灵敏度。发展了针对磷酸化肽的衍生技术，可不经过富集，直接实现磷酸化肽的高灵敏度鉴定。此外，还建立了多种质谱数据处理新方法。

　　上述发展的新技术、新方法和新平台已用于实际蛋白质组样品的分离鉴定，并发现了采用目前商品化技术和仪器无法获得的蛋白质信息。