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韩国成:科研路上的远行者

来源:  发布时间:2018-12-05

□ 范佳乐
  
  

  
  1962年,英国科学家Clark利用不同的物质与不同的酶层发生反应的工作原理,在传统的离子选择性电极上固定了具有生物功能选择的酶,从而构成了最早的生物传感器——酶电极。经过近20年的发展,于20世纪80年代,生物传感器的研究全面发展起来。
  电化学生物传感器是生物传感器中研究最早、种类最多的一个分支,具有专一、高效、简便、快速的优点,在生物、医学及工业分析等方面受到了高度重视和广泛应用。然而,当前对电化学生物传感器的研究绝大多数还处于基础研究阶段,未来要实现传感器的商品化还有许多工作要做。研究开发出廉价、微型化、集成化和智能化、便于携带、便于现场在线性检测的新型电化学生物传感器是这个领域科研工作者们继续奋斗的目标,也是桂林电子科技大学生命与环境科学学院教授韩国成陟涉的前方。
  

实现血红蛋白的智能检测


  糖尿病是一种常见的内分泌代谢疾病,是由于胰岛素绝对或相对不足引起糖、脂肪、蛋白、水及电解质等代谢紊乱,出现高血糖和糖尿症状,其发病率仅仅低于心脑血管疾病和肿瘤。在我国,糖尿病发病率为2%~3%,并且呈不断上升趋势,是严重威胁人类健康的世界性公共卫生问题。
  糖化血红蛋白是指血液中和葡萄糖结合的血红蛋白,是糖尿病控制、预测、筛选、诊断、疗效评估的有效检测指标。若糖化血红蛋白水平大于9%则说明患者持续高血糖存在,会发生糖尿病肾病、动脉硬化等并发症,同时也是心肌梗死、脑卒中死亡的一个高危因素。因此,监测糖尿病患者糖化血红蛋白水平,对监测糖尿病患者血糖控制的好坏及并发症的预测情况都有着重要的意义。
  2013年,刚刚毕业两年的韩国成主持了国家自然科学基金(青年科学基金项目)“用于糖化血红蛋白检测的新型电化学生物传感器研究”,拟以血红素为研究对象,以二茂铁为电化学探针,设计并合成新型电化学生物传感器,利用自组装方法将其固定在电极表面,用电化学方法检测血红素,再根据血红蛋白和糖化血红蛋白之间的电化学信号差异,实现二者的快速准确检测。
  这一项目历时3年,在韩国成的带领下,团队通过深入研究合成了Fc(Cys)2,Fc-ECG等二茂铁衍生物,并研究了它们的电化学性质,发现Fc(Cys)2、Fc-ECG等二茂铁衍生物不仅具有良好电化学性质,还是生物活性分子,在溶液中可与血红素、血红蛋白相互作用。
  通过Fc(Cys)2和Fc-ECG等小分子,韩国成团队用简单的电化学方法,从分子层面上研究了二茂铁衍生物与血红素、血红蛋白的作用,并基于Au-S键的特性,通过电沉积和溶液挥发法制备了固定含有巯基的二茂铁衍生物的电化学生物传感器,利用电化学传感器建立了微分脉冲伏安法(DPV)和交流阻抗法(EIS)检测血红素、血红蛋白的平台。项目所取得的结果进一步完善电化学传感器的理论和技术,丰富了血红蛋白的检测方法。目前,糖化血红蛋白的检测及智能化正在探索和实施中。
  其实,这一项目的顺利完成与韩国成前期的研究工作密不可分。在硕博期间,韩国成就开始进行包括生物工程、生物传感器、有机合成和表面化学等领域的研究,并在有机合成及生物体内小分子的检测方面取得了一定成绩,这为项目的进行打好了前期基础。项目进行中,韩国成还带领团队紧密跟踪国际上糖化血红蛋白的检测,尤其是电化学方法检测,为项目研究提供了技术上的借鉴。
  

建立智能化的CRP实时检测平台


  1930年,Tllett和Francis等人观察到一些急性病人的血清可与肺炎链球菌的英膜C-多糖(C-polysaccharide)发生沉淀反应;1941年Avery等人用硫酸铵和C-多糖沉淀法粗提,得到一种蛋白质,随后证实血清中这种能物质与C-多糖反应形成复合物的急性时相反应蛋白,是由于机体受到微生物入侵或组织损伤等炎症性刺激时肝细胞合成的,因而将这种蛋白质命名为C-反应蛋白(C-reactive protein,CRP)。
  反应蛋白是一种有效的生物标志物,在恶性肿瘤、心血管和抑郁症等疾病的早期检测及诊断和病情评估等方面有着重要的应用,因此其定量检测非常重要。由于电分析化学具有实时、快速、灵敏、易于微型化等特点,所以将它应用于研究C-反应蛋白的性质及检测是一种非常有效的方法。
  2016年,韩国成在顺利结束“用于糖化血红蛋白检测的新型电化学生物传感器研究”项目之后,继而开始主持国家自然科学基金—地区科学基金项目 “用于C-反应蛋白检测的电化学生物传感器研究”,在已有研究的基础上,同样引入二茂铁作为化学探针,采用循环伏安法、差分脉冲法和交流阻抗法等电化学方法,根据标记电化学探针的氨基酸或者小分子多肽与C-反应蛋白反应前后出现电化学信号的变化,从而实现C-反应蛋白的检测并建立灵敏的表面电化学检测C-反应蛋白的平台。
  近年来,韩国成在光谱和色谱法检测小分子化合物、电化学研究和Ab-CRP的检测、有机及无机合成等方面进行了深入研究,这些研究工作不但为项目中的理论探讨与分析方法做了很好的铺垫,还为项目中电化学检测C-反应蛋白奠定了扎实的基础。其中,韩国成在二茂铁衍生物的合成、电化学性质和空间构型研究及金属离子相互作用等研究取得的成果可直接指导项目的电化学探针二茂铁衍生物的合成。
  目前,项目已经取得了一些阶段性成果。韩国成团队基于抑制肽引发的银纳米颗粒原位组装方法,开发了一种高灵敏和选择性电化学生物传感器用于β-淀粉样寡聚物的检测。具体来说,就是固定在电极表面并呈现在溶液中的肽一起触发AgNP聚集体的原位形成,产生明显的电化学信号,然而,Aβ寡聚物与固定化肽的特异性结合阻止了AgNPs的原位组装导致电化学信号的明显减弱,从而实现Aβ寡聚物的检测。
  如今,项目正在有条不紊地进行着。说起自己的团队,韩国成语气中带着些小小的自豪,他介绍道:“我们团队的研究成员是来自于有机化学、生物化学及智能传感器等各个领域的青年科研者,他们除了在有机合成方面有丰富的经验外,还在蛋白质与小分子的相互作用的表征和灵敏检测方面有着丰富的学术积累。另外,有的成员还与加拿大多伦多大学Heinz Bemhard Kraz研究小组有着密切合作关系。”
  

坚持科研与教学的紧密结合


  2011年,韩国成从中南大学结束博士生学业之后,进入桂林电子科技大学生命与环境科学学院担任讲师,仅1年多的时间就评上了副教授,5年后晋升教授。自任教以来,韩国成就坚持科研与教学紧密结合,注重科研对教学的渗透和融合,积极改革教学方法,强化学生的主体意识。他认为,将学生引入到真实工作环境中,加强对学生的实践教育,才能培养出高质量的人才。
  至今,韩国成作为主讲教师先后承担本科生专业英语、生物信息学(外文教材)、生物化学与分子生物学、基因组学、药理学(外文教材)、科技文献检索、有机化学实验、专业专题实验、普通化学实验、无机及分析化学实验等理论课程和实验课程的教学工作任务,共指导18名本科生的毕业设计,其中指导本科生参加2015年、2014年、2013年广西高校化学化工类论文及设计竞赛,获二等奖3项。2015年和2017年,韩国成获得了桂林电子科技大学本科课堂教学质量优秀奖二等奖2项,2017年获校级教学成果奖三等奖2项。
  “若高升,必自下;若陟遐,必自迩”,无论是科研之路还是教育事业都必定是一段漫漫长路,在这段路程中,韩国成始终保持着稳健的脚步,脚踏实地,由浅入深,一步一个脚印地前进,前进。

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