陕西省生命分析化学重点实验室
400-6699-117转1000
生物电分析化学
生物电化学分析以生命活性物质为研究对象，在电子水平上研究生命过程中的化学原理和建立现代电化学分析技术和方法，是电分析化学的前沿研究领域。本研究方向以生物大分子电化学与电化学生物传感的研究为特色，处于国内领先，国际先进水平。生物大分子电化学与电化学生物传感的研究是利用电化学技术在电子水平上研究生物大分子、生命活性物质及其超分子作用。本课题组以生物酶、抗原/抗体、DNA等分子识别物质为研究对象，主要研究这些分子识别物质在电极界面的电子转移、分子识别特性、生物大分子间及其与小分子间的相互作用，研制应用于病理研究和临床检测的电化学和电化学发光生物传感器。
从1984年开始进行电分析化学的研究，曾得到三项陕西省自然科学基金资助。系统地研究了过渡金属-杂环偶氮试剂配合物极谱催化波，成功地完成了二十六个新催化波体系电化学行为和电子转移机理的研究，发现了杂环偶氮试剂用作钒、钴和铑等催化波活化剂的规律性，在国内外权威等刊物上共发表论文40余篇，论文在SCI上记录的引用次数60多次。获得两项陕西省科技进步二等奖和一项陕西省教委科技进步三等奖。
1998年以来，在三项国家自然科学基金和三项陕西省自然科学基金资助项目中，在生物电分析化学研究方面主要进行了下列三个方面的研究：
(1)蛋白质电分析化学的研究 主要进行了氧化还原酶直接电化学的研究和电化学生物传感器的设计和特性研究。成功地完成了多种血红蛋白酶突变体构象与电子转移关系的研究，完成了40多种锇、钌、铑-联吡啶、啉啡罗啉配合物，评价了这些配合物用作氧化还原酶电子转移介体的性能，筛选出了几种有应用前景的电子介体，完成了一系列葡萄糖生物传感器的研究，如毛细进样一次性生物传感器，印刷电极和葡萄糖生物传感器在流动注射体系的应用等。此方面的研究近三年在Anal. Chim. Acta等SCI源期刊上发表论文8篇，在国际会议上报告五次。该研究对生物传感器的基础研究和临床应用研究具有重要的理论意义，具有潜在的商业价值。目前，正在进行醌类氧化还原酶直接电化学的研究。
(2)电化学发光新技术的研究 首次将电化学富集/溶出与化学发光检测结合，提出现场电化学溶出发光分析法;将在线电化学产生不稳定试剂与流动注射化学发光法结合，提出在线电生不稳定试剂流动注射化学发光分析法;将电化学发光技术与能量转移结合，提出能量转移电化学发光法;并成功地用于20多种药物的测定。将氧化还原标记物与化学发光法结合，提出小分子氧化还原标记新型均相电化学发光免疫分析法;将电化学发光标记物和小分子半抗原地高辛标记在载体大分子蛋白质上，建立了多标记均相电化学发光免疫分析法。该工作为均相电化学发光免疫分析法实现多标记，提高分析灵敏度提供了一条新思路。这些均为原始性创新。1998年以来，电化学发光新技术的研究在Analtical Chemistry等SCI源文刊物上共发表论文30余篇。该项研究受到国内外的极大关注，论文在SCI上记录的引用次数60多次，在国际会议上报告四次。
(3)生物亲和型传感器的研究 张成孝教授1995年赴日本东京工业大学生命理工学院进行学习和研究，师从日本东京工业大学校长、著名超分子生物信息化学专家相泽益男教授，主要从事氧化还原酶的电化学和电化学发光免疫分析的研究，回国后在两项国家自然科学基金资助项目和三项省自然科学基金资助项目资助下,研究了葡萄糖氧化还原酶、单链DNA和双螺旋DNA在玻碳电极、碳纳米管电极和多种化学修饰电极上的电子转移行为以及与生物活性物质、药物分子的相互作用，合成了多种电化学探针，建立了单链DNA和双螺旋DNA以及与药物分子作用的研究方法。在SCI源文刊物上共发表论文10余篇, 在SCI源文刊物上引用次数已超过40次，1999年发表的一篇论文在SCI源刊物上引用次数已达28次。目前主要进行单细胞凝胶电泳DNA断裂电化学发光成像检测新技术的研究和DNA生物亲合传感器的研究，为肿瘤早期诊断、毒理研究和药物筛选提供高灵敏的检测技术和器件。生物亲和传感器可提供抗原与抗体结合，细胞受体与配体结合，DNA与RNA和核酸互补的实时信息，所以生物亲合传感器在免疫学和遗传学的研究以及临床检测中得到广泛的应用。
目前正在进行 “微阵列生物传感器化学放大基础研究”( 国家自然科学基金资助项目：90607016)的研究。
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光学生物传感器
传感器技术的研究和应用，是实现实时在位、在线分析的重要途径。作为学科交叉与渗透的产物，化学和生物传感器是一个非常活跃的研究领域，已成功地用于生产过程的自动化控制、炸药和化学战争制剂的遥测分析、新型环境自动监测网络的建立、生命科学和临床化学中多种生物活性物质分析、活体成分分析和免疫分析等。这是一个正处于高速发展的科学领域，已成为现代科学的前沿领域之一。光导纤维化学和生物传感器是二十世纪八十年代诞生的一类新型化学和生物传感器，它的出现是分析化学近十多年来的一项重大进展。这种传感器具有很高的传输容量，可以通过波长、相位、衰减分布、偏振和强度调制、搜集瞬时信息等来反映多元成份的多维信息。它还具有探头直径小(可小至纳米级)、远距离传输能力强、抗电磁干扰性能好和对恶劣环境的适应性强等许多优良性能。现已成功地用于生产过程和化学反应的自动控制、遥测分析、化学战争制剂的现场监测和报警、生命科学研究和临床化学中活体成份的分析、药物分析和药代动力学分析。
章竹君教授从1982年赴美国开始进行光纤化学和生物传感器的研究以来，在国内帅先开展分子识别光纤发光传感器的研究，曾得到1项国家自然科学基金重大项目、1项国家自然科学基金重点项目、4项国家自然科学基金项目和2项教育部科技重点项目的资助。在国内外权威刊物(SCI著录刊物)上发表论文120篇、论文在SCI上记录的引用次数有378次，被国内外公认 “对光纤化学传感器的创立和发展作出了贡献”。曾获得两项国家教委科技进步二等奖。 研究工作主要涉及以下几个方面的内容：
(1) 新型光学流通式生物传感器的研究 传统的光学传感器一般为静态响应，有许多不足之处，如污染问题、提供的测量数据精密度差、响应时间长、不能用不可逆反应进行分子识别等。建立动态响应模式，有望解决以上问题。另外，传统的光学生物传感器多用酶分子识别，但由于酶种类缺乏、价格昂贵及诸多影响酶活性因素的存在而限制了其发展。寻找新的分子识别模式，是传感器发展的一个重要方向。如利用动植物组织、微生物、细胞进行分子识别，利用化学基础研究的新成果超分子化学进行超分子识别等，这些分子识别模式具有广阔的前景，值得人们探索和研究。本课题组改变传统光学传感器静态响应模式，把流动分析技术引入传感器的设计中，克服静态响应的缺点，建立动态响应模式，设计出流通式化学发光传感器、流通式荧光传感器和流通式室温磷光传感器，并对光学传感器的换能器和分子识别系统作了全面的研究，完成了一系列性能优良的流通式光学传感器。
组织传感器国内外都已经开展了研究工作。但是，目前在这类生物传感器中，换能器几乎全部是电流型的电化学换能器。这类传感器中，一般通过物理的方法，把极其少量的生物材料固定在电极上。由于生物材料的固定量极少，故其生物催化活性不会很高，对分析物的转化率低，从而使这类传感器的灵敏不高，线性范围不宽;这些生物传感器均为静态分析，在静态响应过程中，底物需扩散到生物催化层中进行反应，而且反应产物需扩散到电极表面，一般需要较长的时间才能达到稳态响应，故不适合进行在线实时分析;此外，现存的这类生物传感器的制作工艺比较复杂、费时。本课题组首次把化学发光换能器引入这类传感器的设计中，采用大容量固定化技术，结合流动分析技术，从而把原有这类传感器的灵敏度提高1-2个数量级，响应时间减少到十分之一，从而达到了进行在线、实时分析和活体分析的要求。据此，完成了乙醇酸、草酸、脲化学发光组织传感器。溶胶凝胶技术是一种新型的化学和生物传感器试剂固定化技术，它具有优异的光学特性和热力学及机械稳定性，且形成的化学条件温和，尤其适合包埋生物大分子。我们把溶胶-凝胶技术引入化学发光传感器的设计中，从而设计出了溶胶-凝胶化学发光过氧化氢和葡萄糖传感器，并结合微透析活体取样技术，活体测定了动物的血糖浓度，实时性地监测了动物的体内血糖浓度的变化。
文献上所有报道过的化学发光传感器大多数都是将一种或多种酶制剂固定在载体上的消耗型生物传感器且酶以外其它发光试剂均以溶液形式同时注入发光池中实现待测物的定量分析，从严格意义上来说不能算成一种真正的传感器。本课题组所提出的全固态化学发光传感器，即将具有分子识别功能和换能器功能的所有化学发光试剂通过电价键全部固定在阴、阳离子交换树脂上，在先于化学发光反应之前，将一定量发光试剂从载体上洗脱，与分析物发生化学发光反应，实现对待测物的传感。这种传感器虽然是消耗型、不可逆的，但树脂交换容量大，每次洗脱下的发光试剂的量又很少，每个柱子可以使用200次以上，这一概念已被国内外同行所接受。这一新型化学发光传感器的设计不仅优化了化学发光反应的量子产率，节约发光试剂的用量，而且由于载体远离检测器，减小了散射背景，提高了灵敏度。此外，还可通过控制洗脱剂的浓度精确控制发光试剂的释放量，进而控制传感器的使用寿命。根据这一构想，我们首次报道了抗坏血酸、过氧化氢、次氯酸、钒(V)、铬(VI)等十几种传感器。
对于一定的流动相，能够保留于C18柱上的物质种类有限，而且其中具有天然荧光的也只是其中的一小部分，从而保证了C18硅胶作为分子识别试剂荧光传感器的选择性;当用另一种特定极性的流动相洗脱时，保留于柱上的荧光物质又能够被很好地洗脱，从而保证了这种传感器的可逆性;同时C18柱可改变荧光物质的微环境，且有富集作用，使这种传感器有高的灵敏度。基于此构想，本课题组首次完成以C18硅胶为分子识别试剂和载体的维生素B2、色氨酸、金鸡纳碱的荧光传感器，并提出了其理论响应模式。b-环糊精及其衍生物能够选择性的与一些物质形成包容配合物从而决定了b-环糊精及其衍生物作为分子识别试剂的传感器的选择性;同时b-环糊精及其衍生物空腔提供与客体分子的相对有机的微环境以及其富集作用，使得荧光客体分子荧光强度增加，大大改善了这种荧光传感器的灵敏度。根据这种构想，我们测定了奎宁、色氨酸、苯丙氨酸、潘生丁、四环素、土霉素及氯霉素等，同时对响应的理论模式进行了探索。磷光传感器是光学传感器中最薄弱的部分，尽管磷光有许多优点，但由于水和湿气都能破坏磷光体与基质形成的氢键，削弱刚性化作用，使磷光的淬灭增大，很难用于测定水溶液中的有机物和无机物。我们合成了多种Eu、Tb、Gd等稀土离子的配体，研究了它们二元和三元配合物的磷光特性，发现了它们的一些二元配合物能够与Chelex-100螯合树脂形成三元配合物增敏、增稳的室温磷光特性，据此设计制作了Zu、Tb、Gd室温磷光传感器，并用于稀土试样和免疫分析。我们所设计的一系列新型流通式光学传感器在环境监测、临床检验、生化分析、冶金分析等方面有较好的应用前景，可为上述这些领域提供实时、在线、连续、准确的分析测试新方法和技术;同时，这些传感器也将在生物芯片分析、微流控芯片分析技术、毛细管电泳分析和高效液相色谱分析中得到广泛的应用。该方向的研究工作处于国内领先，国际先进水平(获省科技进步一等奖)。
(2) 光学传感器在纳米材料生物环境安全性研究中的应用 纳米生物环境效应研究，是一个典型的综合性强的交叉学科领域，需要各个领域的研究者的共同参与，才能有效地完成纳米生物环境效应的研究。作为“科学技术的眼睛”的分析科学，在这项研究有着极其重要的作用。生物环境下的纳米颗粒检测方法和技术、纳米材料毒性检测新方法和新技术等是我们分析工作者义不容辞的研究任务。目前，用于研究纳米生物环境效应的检测方法和技术均为传统的研究毒理的方法，如MTT法。这些传统的方法适合常规的物质(如重金属离子、有机污染物)，但不一定适合具有特殊性质的纳米尺度的物质。此外，这些传统的检测方法灵敏度不够高，而且费时、复杂，不利于掌握和操作。可见，建立和应用一些灵敏度高、成本低、简单、快速的检测技术和方法，对于纳米材料生物环境效应研究是非常必要的。新的检测技术和方法的应用将可以大大地推动和促进纳米生物效应研究。
近年来，光传感器在多类复杂有机物质，如氨基酸、维生素、核酸、激素、生物碱及各类药物及毒物的检测，多种生物活性物质的分析，生物芯片、微流控芯片研究中得到了广泛的应用，而且目前呈现出上升趋势。为生命科学、环境科学、材料科学的研究提供了许多新的、高灵敏度有效的分析手段，推动了这些学科理论和高新技术的发展。一些生命活动过程(如发光细菌在生长良好时、高等绿色植物的光合作用过程、种子萌发过程)会产生的化学发光。这种生物的微发光是生物体内生化代谢过程中的产物，其发光强度易受外界环境条件的影响。这种化学发光特性的改变提示出生物体、组织的代谢变化，从而综合性地反映其生态环境的变化。因此，控制一定的条件，就可以用这些生命活动过程所自发产生的发光现象来测定某中环境因素的变动。这类方法简单、灵敏、快速，已用于测定水和大气污染程度。可见，集准确、灵敏、快速、简便、廉价为一身的化学发光传感器最有希望被应用到纳米材料的生物环境安全性研究中，而且这种方法比其他的分析检测方法更简单、更直接，更适合于现场分析。
我们将发光细菌化学发光体系、绿色植物光合作用延迟化学发光体系、植物种子(如大豆)萌发过程微化学发光体系和流通式化学发光传感器用于纳米材料的生物环境安全性研究中，来考察化学发光生物传感器用于研究纳米材料生物环境效应的可能性。根据纳米材料的特性以及生物环境安全性研究的要求，优化这些化学发光体系，设计出合适的化学发光生物传感器。以常见的纳米材料(如碳纳米材料、TiO2纳米粉末)为模型，来考察存在于人类生活和生存环境(大气、水体和土壤)中这些纳米材料的生物环境效应。用发光细菌的发光体系来研究存在于水体中的纳米材料的生物效应;用绿色植物叶子的延迟化学发光来研究存在于大气中的纳米粉末对光合作用过程的影响。以大豆种子及其幼苗作为生物个体模型，通过检测植物种子萌发过程中的微化学发光体系的发光强度的变化，在个体水平研究纳米尺度材料的生物效应;用多功能流通式化学发光生物传感器通过实时、在线检测细胞(如小鼠T细胞、吞噬细胞)培养液中活性组分的浓度变化，在细胞水平研究纳米粒子对细胞生长及代谢过程的影响;以葡萄糖氧化酶作为生物活性分子的模型分子，用化学发光葡萄糖传感器通过检测葡萄糖氧化酶分子活性的变化，在分子水平研究纳米粒子对生物分子活性的影响。并进一步研究纳米材料的粒径、浓度、形貌等对其生物环境效应的影响。从而，建立起简单、快速、灵敏的研究纳米材料生物环境安全性的新方法和新技术。此外，根据纳米材料的生物效应，设计出具有新特性的化学发光传感器。我们将简单、快速、高灵敏度的化学发光生物传感器应用于纳米材料的生物环境安全性研究，为在生物个体水平、细胞水平及分子水平上研究纳米尺度物质的生物效应提供新的检测方法和技术，从而推动纳米材料生物环境安全性研究。另一方面，拓宽化学发光传感器在科学研究(生命科学、环境科学、材料科学) 中的应用领域，为化学发光传感器的发展提供动力和源泉。
(3) 近场光学和纳米粒子生物传感器的研究 传统的光学显微技术在细胞生物学和分子生物学研究中应用很广，也能够用于分析活细胞，但分辨能力被Abbe衍射作用所限制，其理论分辨率最高为0.2m，放大倍数最高也只能达到1600倍。而近场光学显微镜和近场光学传感器是近年发展起来的一个新的技术，可以大幅度地提高显微镜的分辨率和放大倍数。我们实验室组装了一台近场光学显微镜，其分辨率为1-2nm，放大倍数从1600倍提高到25000倍，能更清晰地显示活细胞内被检测成分的分布、含量及其动态变化。检测器为ICCD和雪崩金属光电倍增管(AMPMT)两种，并能同时进行数字显示、计算机处理和模拟显示，能够动态检测活细胞内物质代谢、能量代谢及信息传递过程并进行全程录像。
纳米光纤探针尖端的直径为50nm，表面用真空沉积镀上一层银，端点用共价键合法键合上一层BPT抗体，用三维微移动器在近场光学显微镜下进行操作，使光纤尖端直接插入靶细胞中。当靶细胞中存在BPT时，它会同纳米光纤探针上的BPT抗体特异性结合，再从光纤的另一端射入的波长为325nm 激光的激发下，产生明亮的蓝色荧光。该法具有很高的选择性和灵敏度。利用这种抗体靶标，还可以测定活细胞中的多种化学物质及基因表达的多种蛋白质，在阻断单细胞中致病蛋白生产的药物筛选研究中，也将发挥重要的作用。从原理上讲，还可以制备出含有几种荧光体及生物活性分子，如酶、蛋白质受体或抗体，同时反映出多元成分的多维信息，并通过波长、相位、衰减分布、偏振和强度调制、时间分辨等，对单个活细胞中的多个成分同时进行实时传感。
在近场光纤传感器方面，我们正用于细胞中环腺苷酶介导的膜信号传导的研究，此传感器是在纳米级光纤端点固定荧光素和荧光虫素酶，用生物发光反应检测ATP，并通过偶合反应检测cAMP，从而获取环腺苷酶介导的细胞信号转导系统的实时信息。在细胞或线粒体内物质代谢所涉及的电子传递，最终体现在膜上的传递及相应的细胞膜电位或线粒体电位的变化。现用的微电极法，由于弱电的干扰，难于得出准确的结果。我们曾对应用电位敏感染料的生物传感器进行过系统研究，故可以采用近场光学和纳米粒子生物传感器两种手段，将电位敏感染料固定化，通过近场显微技术，可以实时、在位对膜电位的变化进行监测，为细胞内信息传递提供定量数据。
(4) 对光纤化学和生物传感器进行了系统的理论研究 首次提出了双波长技术的荧光传感器，建立起了这类传感器的响应理论。这一理论被国内外所有光导纤维传感器专著引用，被评论为“双波长荧光传感器的诞生”和“理论上奠定了光纤荧光传感器的基础”;提出了基于光吸收的光纤传感器。首次提出一配合物形成模式作为分子识别系统的金属离子光纤传感器，建立金属离子荧光、吸收、反射传感器的设计原理，这已成为离子光纤传感器的经典理论;把离子对萃取原理，应用于光纤传感器的设计中，完成了高灵敏、高选择性的钠离子、钾离子光纤传感器。系统地建立了各类光纤传感器的响应理论模式，这些理论已被作为经典理论被国内外学者接受，并已载入国内外有关专著中。阐明了传感膜的分子识别和传感机制，研究了多种传感膜基质的动力学，实现了多种分子识别物质在这些膜基质上的固定化。完成了pH、pO2、胆固醇、多巴胺、乙酰胆硷、胆碱、铁蛋白、D-氨基酸等生化物质，抗坏血酸、潘生丁、安乃近、维生素K3、甲氨蝶呤、核黄素等物，乙型肝炎表面抗原和抗体、核心抗原和抗体、E抗原、茶叶碱等抗原，抗体和半抗原以及14种微量元素传感器的设计和应用研究。其中，基于双波长技术和荧光能量转移的荧光传感器、基于选择性中性载体和离子对萃取原理的传感器、基于聚合物膨胀的单光纤传感器、基于电位敏感染料和脂质技术的传感器、二元和三元体系磷光传感器、流动式消耗型化学发光传感器、细胞免疫传感器等均为原始性创新。当前，在对光导纤维生物传感器的分子识别反应和多维信息换能系统进行研究的基础上，研究无损在体和微量离体检测用新型光纤生物传感器，建立活体组织、人体体液、细胞等的高灵敏快速分析技术及其在体药代动力学分析方法，从而能快速、精确地反映活体组织及体液的变化，以适应临床快速诊断的要求(国家自然科学基金生命科学部重点项目)。
化学与生物发光分析
发光分析具有很高的灵敏度和很宽的线性范围，而且仪器比较简单。这种分析方法已在临床检验、药物分析、环境污染物分析以及在生命科学、生物医学科学研究中得到广泛应用。我们从1979年开始进行化学发光和生物发光分析的理论和应用研究，已完成三项国家自然科学基金资助课题和两项国家教委重点项目资助的课题，在国内外发表论文180余篇，获省科技进步二等奖三项、三等奖一项及国家教委优秀成果奖一项。研究工作处于国内领先，国际先进水平。
化学发光反应新体系的研究 以化学发光和生物发光反应为基础的发光分析，由于可以进行发射光子计数，又没有外来激发光源存在时散射光背景的干扰，因而具有很高的灵敏度(检出限可达10-12-10-21mol)，很宽的线性范围(3-6个数量级)，同时仪器设备又很简单、廉价、易微型化(不需要光源和分光系统)，在二十世纪的最后十年发展非常迅速。化学发光分析法已在无机物、有机痕量和超痕量分析领域内都得到了广泛应用。特别是近年来，化学发光分析法在多类复杂有机物质，如氨基酸、蛋白质、维生素、核酸、激素、生物碱及各类药物及毒物的检测，多种生物活性物质的分析，多种抗体和抗原的免疫分析，生物芯片、微流控芯片研究中得到了广泛地应用，而且目前呈现出上升趋势。为生命科学、环境科学、材料科学的研究提供了许多新的、高灵敏度的、有效的分析手段，推动了这些学科理论和高新技术的发展。而化学发光分析体系，相对于荧光分析体系和紫外-可见分光吸收体系，非常的少。因此，化学发光新体系的研究对促进化学发光分析法发展，拓宽化学发光分析法的应用范围具有极其重要的意义，已成为当前化学发光分析的主要研究方向之一。陕西师范大学化学系从20世纪80年代初开始进行化学发光研究，是我国最早进行化学发光研究的单位之一，在化学发光分析方面取得了一系列的研究成果。我们长期致力于化学发光分析新体系和电化学发光分析新体系的研究工作，已发现并建立起许多可用化学发光分析的化学发光和电化学发光新体系，如NaBiO3化学发光分析新体系、PbO2化学发光分析新体系、MnO2化学发光分析新体系、Co(III)电化学发光新体系、Mn(III)电化学发光新体系、Ag(II)电化学发光新体系。同时，我们注重化学发光反应机理的研究，近年来，考察了二十多种有机物与高锰酸钾的化学发光反应，建立了各种物质相应的化学发光分析方法，提出了反应的单线态氧机理和能量转移机理，从而在理论和实践的结合上，构建了以高锰酸钾为氧化剂的化学发光体系。高锰酸钾—还原剂化学发光体系的建立及对其反应机理的探讨，大大地丰富了化学发光分析的研究工作，不仅拓展了化学发光分析的研究领域，而且为揭示化学发光反应的本质提供了有益的思路。可以预言，这一体系将会和鲁米诺、光泽精等以测定无机物为主的经典化学发光体系相媲美，成为分析有机物十分有用的一个新化学发光体系，已经建立的诸多分析方法可用于毒物或药物的分析。
许多无机氧化剂如H2O2, Br2, ClO-, KMnO4, Ce(IV), KBrO3, [Ru(bpy)3]3+, [Fe(CN)6]3-和IO4-已广泛地用于化学发光分析中，建立了许多化学发光体系。但由于这些无机氧化剂只有在强酸或强碱介质才有强的氧化性，所建立的化学发光体系除了个别非均相体系外均为强酸或强碱介质，这对化学发光的广泛应用带来许多不便。如化学发光作为柱后色谱或毛细管电泳检测器时，化学发光介质与分离过程的介质不匹配，这不但影响检测的灵敏度而且影响分离效率;生物体系的pH =7.4,而强酸或强碱介质的化学发光体系在与生物体中的酶反应、免疫反应相耦合时有一定的难度，从而影响化学发光分析在生物分析中的应用。可见，建立中性或近中性化学发光体系非常重要。二氧化氯是一种强的氧化剂已被广泛用于水处理过程中。而且，二氧化氯不同其他物质(如氯气)溶解于水不会离子化，仍以分子形式存在，在很宽的pH范围具有强氧化性。我们研究发现，二氧化氯可在中性或近中性氧化亚硫酸钠产生化学发光，吡哌酸的存在可大大增强此化学发光。我们以ClO2-SO32--pipemidic acid为模型反应，详细地考察了二氧化氯在中性或近中性介质中作为化学发光氧化剂的可能性，并建立了近中性测定吡哌酸的化学发光新体系。
我们基于分子结构与性质关系，利用QSPR法，引入拓扑法和组合数学，从化学图论观点出发，对现在人们已知的大量的能够直接产生化学发光或直接在电极上产生电化学发光分子进行结构分析，提取与其化学发光或电化学发光性质相关的特征结构参数，如分子拓扑指数(表征分子骨架中原子的种类、数目及键的数目，不饱和键的位置及数目，环的大小及数目等方面的结构信息)、电子类指数(表征分子中电荷的分布，分子轨道能，前沿轨道密度，超离域度，分子极化度，偶极距等)。对这些特征结构参数进行优化组合，并以这些特征结构参数为自变量，构造化学发光判别函数方程CL和电化学发光判别函数方程ECL，然后用一些分子的化学发光和电化学发光性质的实验结果进行验证，以证明所构建的判别函数方程CL的正确性，并把所构建的判别函数用计算机语言编程，设计出分子的化学发光和电化学发光性质的判别软件。最后，利用所构建判别函数方程CL对多种具有生物活性分子(如各种药物、环境毒物)的化学发光及电化学发光性质进行预测，从而快速建立这些生物活性分子化学发光或电化学发光分析法。另一方面，进行逆向QSPR研究，以所构建函数方程CL和ECL为理论指导，进行分子设计，设计出一些高量子产率的化学发光分子和电化学发光分子，以便快速建立一些用这些分子作为标记物的高灵敏的化学发光免疫分析、电化学发光免疫分析方法。
(2) 偶合反应—化学与生物发光分析研究 偶合反应化学发光分析是将一个化学发光反应与另一个或一系列反应进行偶合，只要这一个或一系列反应中的任何一种反应物或产物能参与化学发光反应，就可以根据所产生的化学发光信号强度获得该反应中某一组分的量。我们首次提出了无机偶合反应化学发光分析法。我们对24个新的化学发光和生物发光体系从反应机理到分析应用进行了系统研究，建立了测定17种微量元素和26种药物的化学和生物发光新方法，使测定灵敏度提高2～3个数量级，扩大了化学发光分析的应用范围。首次提出了固体表面化学发光分析新方法;开展了酶联流动注射化学发光分析研究 实现了从一滴血液或其它体液中测定葡萄糖、乳酸、脲酸、丙酮酸、氨基酸、固醇等26种重要生化物质及药物含量的方法和仪器;开展了高效液相色谱、高效毛细管电泳、化学和生物发光检测器的研究并成功地用于稀土离子、氨基酸、生物碱、中药复方及多种复杂药物的快速分析。我们是在国内最早开展发光免疫分析的单位之一，提出并发展了偶合反应化学发光酶免疫分析的新方法，并以此为基础建立了新的化学发光免疫分析法。系统地研究了HRP催化过氧化氢氧化鲁米诺的多种增强反应和以C—F键有机化合物作为底物，测定HRP及其标记物的荧光检测体系，建立了多种抗原和抗体的免疫分析新方法。方法的灵敏度较之现行的酶联免疫分析高10—104倍。偶合化学发光分析法扩大了化学发光分析的应用范围，使原来化学发光法不能直接分析的物质能用此法进行测定。在偶合化学发光分析中，高浓度的发光反应催化剂或协同氧化剂的使用“淹没”了许多金属离子产生的发光信号，使化学发光法的选择性有所改善。此外，为动力学分析法提供了一种新的检测手段，且比通常使用的光度或荧光检测法的灵敏度高。
对于复杂的分析体系，不经分离而直接进行多组分同时测定一直是分析化学工作者追求的目标之一，也是近年来化学计量学中非常活跃的一个研究领域。将分析方法和计量学方法结合能够建立一些快速、简便、准确度高以及成本低的多元校正分析方法。我们将化学计量学与化学发光分析法相偶合，建立人工神经网络化学发光多元校正模型，并研究其在实际分析中的应用。我们研究发现利福平和异烟肼在N-溴代丁二酰亚胺(NBS)作为氧化剂的化学发光反应中产生的动力学曲线有显著的差异，通过测定和记录反应在1～300s的化学发光强度，用人工神经网络(ANN)建立校正模型并进行预测。选择20个利福平和异烟肼的二元混合溶液作为实验校正集，两种分析物的相对标准偏均小于5%。这种方法成功的用于药物合剂中利福平和异烟肼的同时测定。有机磷农药在紫外光催化下与过硫酸钾发生消解反应生成磷酸盐，而磷酸盐在酸性条件下可与钼酸盐、钒酸盐形成具有氧化性的磷钼钒杂多酸，其可直接氧化碱性鲁米诺产生强的化学发光。不同分子结构的有机磷农药消解发应的反应速率不同。将氧乐果、敌敌畏和敌百虫与过硫酸钾发生的消解反应和磷钼钒杂多酸-luminol化学发光体系相耦合，测定有机磷农药的消解动力学曲线，结合ANN多元校正可同时测定氧乐果，敌敌畏和敌百虫。我们把化学计量学中的多元校正方法引入到化学发光分析中，这就兼备了前者的高灵敏度和后者在数据处理方面的优势，从一定程度上能够解决传统化学发光选择性差的问题，即能够消除部分背景的干扰和组分之间的相互干扰，不经分离而实现多组分的同时测定，从而可以扩大化学发光的应用范围，为化学发光分析法注入新的活力。同时，化学计量学与化学发光的结合将促进化学计量学自身的发展,促进新的化学计量方法的产生。
(3)分子印迹--化学发光分析研究 分子印迹技术是近年来集高分子合成、分子设计、分子识别、仿生工程等众多学科优势发展起来的一门技术。把分子印迹技术应用于化学发光分析中，可以充分利用分子印迹技术的预定性、识别性和实用性，克服化学发光分析选择性较差的不足，为化学发光分析应用于复杂样品的测定提供了一种新的思路。由于化学发光分析方法本身的选择性差，所以除了酶联化学发光分析和化学发光免疫分析这些间接的化学发光分析方法之外，大量的直接化学发光方法都难以成功地用于复杂样品的分析，这使其高灵敏度的优势不能有效地发挥，严重地阻碍了化学发光分析的研究和应用。解决化学发光分析选择性的问题，应该说是化学发光分析研究中最迫切、最有意义的一项工作。由于分子印迹聚合物中含有和目标分子高度互补的空腔结构，因而其往往表现出惊人的专一识别性。将分子印迹技术应用于化学发光分析中，利用分子印迹聚合物对目标分子特异的识别和捕获能力，极大地提高化学发光分析的选择性，可以从根本上解决化学发光选择性差的问题。
纵观国内外化学发光分析研究的历史和现状，将分子印迹技术应用于化学发光分析，不失为解决选择性的最佳选择之一。此项研究得到国家自然科学基金的资助，已经取得一系列的研究成果，建立了包括吗啡、马钱子碱、肾上腺素等十余种重要的毒物、药物的分子印迹-化学发光分析法，初步形成了分子印迹-化学发光分析研究的研究规范。这些研究成果先后发表于Analyst、Anal. Chim. Acta、化学学报等国内外SCI源刊上。吕九如教授课题小组的一篇题为“Molecular imprinting-chemiluminescence determination of trimethoprim using trimethoprim -imprinted polymer as recognition material”的研究论文，发表在国际分析化学领域具有重要影响的SCI源期刊《The Analyst》 (2005, 130, 1032-1037)，该杂志由英国皇家化学会主办，影响因子2.858(2005年)。值得庆贺的是该文的插图被选作该期杂志的封面，同时，主编以“Chemical Science in China”为题，用一个版面介绍、评价了中国的化学、分析化学研究以及吕九如教授的研究工作。
(4)化学发光检测在生物芯片中应用研究 生物芯片是近年来在生命科学领域中迅速发展起来的一项高新技术，它主要是指通过微加工技术和微电子技术在固格体芯片表面构建的微型生物化学分析系统，以实现对细胞、蛋白质、DNA以及其他生物组分的准确、快速、大信息量的检测。常用的生物芯片分为三大类：即基因芯片、蛋白质芯片和芯片实验室。生物芯片的主要特点是高通量、微型化和自动化。芯片上集成的成千上万的密集排列的分子微阵列，能够在短时间内分析大量的生物分子，使人们快速准确地获取样品中的生物信息，效率是传统检测手段的成百上千倍。它将是继大规模集成电路之后的又一次具有深远意义的科学技术革命。它的出现将给生命科学、医学、化学、新药开发、生物武器战争、司法鉴定、食品与环境监督等众多领域带来巨大的革新甚至革命。生物芯片是最近几年国际上热点研究领域之一。客观地讲，生物芯片所基于的生物学原理已经成熟;在芯片制作方面，微型化加工技术在今天也不再是一个很大的问题。而在今天生物芯片研究中，最重要的问题当属随着芯片的微型化所带来的检测灵敏度不足的问题，因为许多已有的检测方法不适合于这种技术。所以，生物芯片技术的未来发展在很大程度上取决于分析检测技术。生物芯片中微升甚至纳升级的进样量，检测池体积非常小，故它对检测器的灵敏度、大小要求非常高。检测技术是决定生物芯片最终检出限的关键因素，是生物芯片的核心技术。
化学发光不需要光源，仪器设备比其他分析法(如荧光法)更为简单，更易微型化、集成化，而且具有很高的灵敏度。可见化学发光法很适合生物芯片的检测。我们将化学发光法已成功地用于芯片的检测。设计出了用于测定重金属离子的化学发光检测H-通道芯片，该系统把光纤固定在芯片的毛细管电泳出口，把H-通道侧臂之一作为反应池。化学发光由光电倍增管检测，用60s分离了Cu2+与 Co2+，以鲁米诺-过氧化氢反应测定Co2+达到1.3´10-8mol/l检出限和60样/小时的分析速度。
电渗流是微流控芯片中最常用的驱动力，与泵相比有许多优点，如可以利用电压很容易控制试剂的流动。但电渗流也受一定的限制，如要求介质pH在4-10。这就限制了一些强酸性介质和强碱性介质的化学发光体系不能用于这样的芯片检测中。而电渗流仅适于水溶液及少数极性有机溶剂，并且为了获得稳定的电渗流溶液中应无气体成分。但是，许多化学发光体系如TCPO体系是在非水介质中进行的;经典的Luminol-H2O2体系虽然在水介质中进行的，但有气体产物N2、O2生成。可见电渗流为驱动力使化学发光用于微芯片检测受到一定限制。另一方面，电场也影响氧化还原反应，而大多数化学发光反应为氧化还原反应。可见，以电渗流为驱动力的芯片不适合用化学发光检测。我们设计出了一种极为简单的化学发光检测的芯片模型，他们把发光试剂(如鲁米诺)全部固定在检测池中，而样品以空气为载流用蠕动泵为驱动。这样的设计，芯片结构简单，仅为一单道流路。由于用空气作载流，消除了以化学试剂为载流时的化学噪音。也可以在这单道流路的合适位置加以微反应器(如微酶反应器)或微在线分离器，使样品的的分离、转化均在芯片上完成。我们还系统地研究了化学发光反应在芯片上实现的模式，根据化学发光反应的动力学特点，设计出适合于不同化学发光反应的芯片模型。
色谱及药物分析
药物分析是药学科学与分析科学的交叉学科。药物分析在确定天然产物或中药的活性成分，对中成药质量的综合评价等方面有着及其重要的地位。同时，研究药物的化学结构与生物活性之间的关系，深入揭示药物分子与作用受体之间的机理，从而进行分子设计和定向合成以及生产工艺流程的优化和工艺过程的在线质量控制，也离不开药物分析。色谱作为一个很重要的分离分析方法及技术，在中药现代化过程中有着极其重要的作用。色谱可以用于中药在分离条件和数据处理标准化下的指纹图谱研究，对活性成分进行高通量筛选，进行中药配伍研究。
(1) 以高效液相色谱指纹图谱为核心的中药材质量标准和GAP相关技术研究 为科学地描述和评价不同种质来源的中药材，控制中药材及中药制剂质量提供依据，开展了薄层色谱、高效液相色谱、气相色谱-质谱、高效液相色谱-质谱的指纹图谱研究工作。按照中药现代化的要求，对秦巴山区的道地药材进行相关规范化栽培与管理研究，建立了丹参、山茱萸、绞股蓝、三叶木通、西洋参、党参、金银花、五味子、虎杖等中药材规范化种植基地，制定以高效液相色谱指纹图谱为核心的中药材质量标准，目前，已有山茱萸和绞股蓝两个中药材基地通过国家GAP认证。该领域的研究工作受到国家和地方政府的高度重视，并给于经费上的大力支持。该领域先后承担3项国家“十五”科技攻关项目和4项陕西省科技攻关项目的相关研究。
(2) 天然药物活性成分的筛选分离、鉴定研究 以活性化学成分的提取、分离、结构鉴定及其药理活性研究为主导，系统的研究了香茶菜、黄芩、太白洋参、红豆杉、棱子芹、葛花、葛根等药用植物有效化学成分提取分离工艺和药理活性，从中发现了一系列具有新结构的天然有机化合物，并对这些化合物进行了生理活性和药理实验研究，得到了一系列具有重要意义的研究结果，在国内外有影响的学术期刊上发表了30多篇论文;在两项国家自然科学基金、一项教育部科技重点项目和一项博士点基金项目的资助下，开展了活性细胞膜固定相生物亲和色谱研究，在保持细胞膜及受体的原位、完整性和活性的条件下，模仿药物在体内与受体的作用过程进行中药有效成分筛选、分离。同时，通过对传统中药黄芩中黄芩素提取分离技术的系统研究，提出了一种新的分离工艺，可使黄芩甙在提取分离过程中自动转化为黄芩素，从而使黄芩素收率成倍提高。在对茜草藤天然药物活性成分研究的基础上，成功研制了国家三类新药“稚泻停冲剂”(国药证字Z1990013)，并已投入生产(国药准字Z1990025)。
(3) 以天然药物单体为先导化合物的半合成研究和药物化学成分立体结构研究 以中草药有效成分为先导化合物进行结构修饰和改性，是发现新的疗效成分和新药开发一个重要途径。我们对生理活性较好的大豆甙元、染料木素、尼泊尔鸢尾异黄酮、伊普黄酮、刺芒柄花素、白杨素、苦参碱和白藜芦醇等中草药单体成分，通过半合成法进行结构修饰和改性，得到具有新结构的结构修饰物约50余种，包括大豆苷元磺酸盐、单甲基大豆苷元磺酸盐、双甲基大豆苷元磺酸盐、染料木素磺酸盐、双甲基染料木素磺酸盐、尼泊尔鸢尾异黄酮磺酸盐等。与相应的先导化合物相比，这些衍生物的药物活性都在不同程度得到了改善和提高。该技术已申报中华人民共和国发明专利4项，其中2项正分别与常州方圆制药有限公司和常州千红生化制药有限公司合作，进行新药临床前期研究开发。具有手性及超分子作用的药物在生物医药中有着重要的地位，近年来我们对提取分离的天然药物单体成分及其半合成衍生物，利用单晶X-射线衍射法研究其手性及超分子作用。从3种香茶菜属植物和秦岭苦参分离的单体成分经单晶X-射线衍射法确定了新化合物Odonicin、Taibaihenryiin C、taibairubescensin C、顺式新苦参碱和反式新苦参碱的手性结构。对大豆苷元磺酸盐、单甲基大豆苷元磺酸盐、双甲基大豆苷元磺酸盐、双甲基染料木素磺酸盐、尼泊尔鸢尾异黄酮磺酸盐等的晶体结构进行了研究。
(4) 药物发光分析研究 发光分析具有很高的灵敏度和很宽的线性范围，而且仪器比较简单。这种分析方法已在药物分析、临床检验、环境污染物分析以及在生命科学、生物医学科学研究中得到广泛应用。我们在长期致力于化学发光、荧光分析理论与实践的研究基础上，建立了一系列药物发光分析的新方法，并应用于药物制剂和体内药物成分的分析，药物溶出度、药代动力学以及药物蛋白结合研究。在相关研究领域中，完成三项国家自然科学基金资助课题和两项国家教委重点项目资助的课题，在国内外发表论文200余篇，获省科技进步二等奖三项、三等奖一项及国家教委优秀成果奖一项。研究工作处于国内领先，国际先进水平。在积极探索、发现特性优良的新发光分析体系的同时，开展流动注射药物发光分析新方法的研究，提出了在线电生不稳定试剂流动注射化学发光分析法、能量转移电化学发光分析方法、原位电化学-化学反应耦合电化学发光分析和固相反应器在线氧化荧光分析等新方法，极大地丰富了发光分析方法在药物分析中的应用范围。目前，基于这些新的发光分析方法，实现了对异烟肼，维生素K3、甲氨蝶呤、核黄素、延胡索乙素、左旋多巴、安乃近、利血平、马钱子碱、士的宁、麻黄类生物碱、四环素、潘生丁、吗啡、叶酸、卡马西平、氯普噻吨、烷型生物碱等50多种药物的高灵敏度测定。此外，考虑到体内药物分析中样品组成的复杂性和化学发光分析方法本身较差的选择性，我们率先将分子印迹技术引入药物发光分析领域，极大地提高了药物发光分析的选择性。为了实时、原位、活体进行药代动力学研究，更准确的获得体内药物的代谢信息，在流动注射化学发光、和荧光分析方法研究的基础上，我们采用微透析技术进行了流动注射在线微透析采样研究，成功地实现了实时、原位、活体的药物代谢动力学研究和药物-蛋白结合作用研究，为药代动力学研究、药物-蛋白结合作用研究提供了新的方法和技术。开展了高效液相色谱、高效毛细管电泳的化学和生物发光检测器研究，并成功地用于生物碱、中药复方及多种复杂药物的快速分析。结合流动注射在线过滤和在线稀释技术，开展了自动药物溶出研究。通过发光分析与手性分离技术相结合，对药物进行了手性分析，为研究手性代谢差异提供了简单且灵敏的分析手段。
