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七十年代末超微电极(Ultramicroelectrode,UME)开始得到发展,八十年代初发展起来了扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscopy, STM),而扫描电化学显微镜(Scanning Electrochemical Microscopy,SECM)在前面两者的基础上于1986年发展起来的。SECM与STM和原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)不同,它利用的是电化学原理。在SECM的工作体系中,电解池中需要加入含有电活性物质的溶液,把一支超微电极(可以在空间三维方向进行移动)插入溶液中,把电极固定在距离样品也就是基底很近的位置,在其表面进行扫描就可以得到该待测品表面的形貌图,而且该样品可以是不同类型的材料,既包括导体和半导体,甚至也可以是绝缘体。虽然SECM没有STM的分辨率高,但是由于具有很高的化学敏感性,在进行电化学微加工、研究DNA分子和蛋白质生物分子等众多领域具有广泛的应用。DNA是生物体中一种必不可少的分子,它是遗传物质的基础。特殊序列的DNA分子的研究对于疾病的检测具有非常重要的作用,故DNA的研究分析一直吸引着无数研究人员的目光。到目前为止,用于检测DNA的工具和技术特别多,包括有荧光光谱技术、比色法和拉曼光谱法、除此之外还有电化学方法等其他方法。如何构建一种高灵敏度,高特异选择性,微型化并且能够高通量检测DNA的方法成为科学家们研究中的重要且紧迫的任务。其中,电化学方法由于具有非常高的检测灵敏度、方便携带和特异性强等特点而受到特别广泛的应用。此外生物体中还有另一种重要的分子就是蛋白质(protein),它参与着所有的生命活动。蛋白质是细胞内最主要的成分之一,是生物体各项功能能够顺利进行的承载体。因此,蛋白质一直都是科学研究者关注的热点,对它的研究在生物研究领域中的一项特别重要的课题,而尤其关注对蛋白质的定量检测。作为蛋白质检测中最为经典的一种方法——免疫分析法,在对抗原抗体等蛋白的检测分析中占据着很高的地位。在免疫分析法的体系中,抗原和抗体会发生强的特异性作用力是关键。本论文主要是把扫描电化学显微镜技术和DNA芯片技术结合在一起,实现了对DNA等生物分子的快速和高通量的检测。利用DNA芯片技术,可以把多种不同序列的DNA固定在芯片上,从而实现了对DNA的高通量检测,构建了一种检测DNA的新型传感器。对于大部分的传感器来说,在对DNA的检测时,只能实现对单个DNA的检测,而芯片技术的出现弥补传统电化学传感器的这点不足,可以作为DNA等这类生物分子的检测的一种新思路。在第三章的内容中,我们介绍了在SECM的基础上设计出的一种新型免疫传感技术,该实验的方法不仅简单方便,而且具有很强的可操作性,提供了一种新的免疫分析思路。本论文一共包括下面的三章内容,具体如下所示。第一章绪论本章首先介绍了SECM发展的历史背景,接着介绍了SECM的实验装置组成、工作原理、主要的工作模式(其中重点介绍的是反馈模式和产生收集模式)以及简单列举SECM技术在DNA分子的检测、酶的检测、蛋白分子的检测还有细胞的检测等领域的分析。然后对DNA和蛋白等生物分子检测的重要性进行介绍,最后对本论文的研究目的和意义进行了阐述。第二章基于扫描电化学显微镜技术和DNA芯片技术构建的DNA电化学阵列传感本章主要介绍了一种基于扫描电化学显微镜技术(利用产生／收集模式),并结合DNA芯片技术,实现了对DNA的快速高通量的检测,这种技术可以应用于多种癌症基因的检测中。由于在实验过程中,往检测液中加入一种表面活化剂,防止了探针在扫描过程中出现的钝化问题稳定了背景电流,故使探针大范围的扫描成为了可能,并且可以得到相应的SECM扫描图像。首先需要设计DNA阵列,然后在芯片上进行点样处理,把捕获探针固定到芯片上,当有目标探针存在的时候,通过DNA的互补杂交可以把标记有生物素的信号探针捕获到芯片表面,三者形成了三明治结构。这里的信号放大检测元件Si02纳米粒子,利用它具有较大的比表面积的特点,可以包裹上更多的链酶亲和素标记的辣根过氧化酶(HRP),大大的提高了检测限。检测溶液中包含氢醌(H2Q)和过氧化氢(H202)这两种物质,由于H202的存在,HRP把H2Q催化氧化后生成苯醌(BQ)。在探针(tip)上施加上一个负电位把产生的BQ重新还原成H2Q,产生的电流大小与目标探针的量是呈正比例关系,所以用这种方法可以用来检测特定序列的DNA。该方法可以得到各个DNA微点的SECM图像,检测到目标DNA的浓度范围是10-7-10-12M,而且对单碱基错配DNA具有很好的选择性。第三章基于二氧化硅纳米粒子和辣根过氧化酶构建的SECM免疫传感器本章构建了一种基于SECM的免疫检测技术,实现了对血清免疫球蛋G的分析检测。首先,利用简单的固定方法(滴涂法)把羊抗人IgG固定在石英片的表面,再加入含有人IgG和修饰好的SiO2纳米粒子的溶液。本实验利用Si02纳米粒子作为信号放大元件,它的表面利用化学键的方式结合上了兔抗人IgG抗体以及HRP。抗原和抗体结合形成了夹心结构。组装好的基底利用的同样是SECM中的产生/收集模式进行分析检测。在H202存在的条件下,HRP把H2Q催化氧化成了BQ,产生的BQ扩散到探针表面时又被重新还原成H2Q。得到的电流与检测物人IgG的量呈正相关关系,故该方法可用于对人IgG的定量分析检测中,该传感器的操作简便,可操作性强,且具有良好的稳定性,有望运用于其他抗原抗体的检测中。