傳感器生物方面新的突破

最近，哈佛大學(xué)的Donald E. Ingber教授等人設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單且耐用的納米復(fù)合材料抗污涂層，可以很好地保護(hù)電化學(xué)傳感器電極表面并且不會(huì)明顯影響檢測(cè)靈敏度，可用于例如血漿、血清等生物液體樣本中的標(biāo)記物檢測(cè)。帶有這種抗污涂層電極的傳感器靈敏度高，選擇性好，檢測(cè)范圍廣，為實(shí)現(xiàn)構(gòu)建便攜式電化學(xué)傳感器檢測(cè)多種疾病的標(biāo)志物提供了可能。相關(guān)內(nèi)容發(fā)表在Nature Nanotechnology 雜志上。

圖1. Donald E. Ingber教授。

這種抗污涂層包括由BSA與戊二醛（GA）交聯(lián)而成的三維多孔基質(zhì)，同時(shí)摻雜導(dǎo)電納米材料，如金納米線（AuNW）、金納米顆?；蛱技{米管，提高導(dǎo)電性并提供結(jié)構(gòu)支撐。該三維多孔基質(zhì)孔徑較小，避免了蛋白質(zhì)的非特異性吸附；BSA只帶有較弱的負(fù)電荷，也避免了帶正電荷生物分子的強(qiáng)吸附。作者基于“三明治結(jié)構(gòu)”構(gòu)建了電化學(xué)免疫傳感器（圖2a），將抗體結(jié)合在電極表面的納米復(fù)合材料抗污涂層上進(jìn)行功能化，通過(guò)抗體、目標(biāo)物和酶標(biāo)抗體的免疫結(jié)合可形成三明治結(jié)構(gòu)；酶再與底物反應(yīng)生成產(chǎn)生電信號(hào)的化學(xué)物質(zhì)，電信號(hào)的強(qiáng)度與目標(biāo)物的濃度直接相關(guān)，從而檢測(cè)電信號(hào)就能夠檢測(cè)目標(biāo)物的濃度。對(duì)于金納米顆粒、碳納米管或金納米線的電化學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，摻雜金納米線時(shí)效果最好（圖2）。作者還對(duì)納米復(fù)合材料的抗污機(jī)制和交聯(lián)機(jī)制進(jìn)行了研究。

圖2. 免疫傳感器機(jī)理圖與電極的照片，以及相應(yīng)的電化學(xué)表征。

圖3. 利用掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡表征BSA/AuNW/GA納米復(fù)合材料。

接下來(lái)，作者分別檢測(cè)了血清、血漿中的白細(xì)胞介素6（IL6）、胰島素和胰高血糖素目標(biāo)物。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使用納米復(fù)合材料抗污涂層的電極的傳感器能夠以高靈敏度檢測(cè)出血漿、血清中的目標(biāo)物（IL6的檢測(cè)限為23 pg/ml），而無(wú)涂層電極、聚乙二醇修飾的電極在血漿、血清這種復(fù)雜生物樣本中則沒(méi)有信號(hào)，證明BSA/AuNW/GA納米復(fù)合材料具有良好的防污性能。更重要的是這種抗污涂層還可以清洗重復(fù)使用，并且信號(hào)損耗較小。另外，作者還研究了帶有這種抗污涂層的傳感器的穩(wěn)定性，該傳感器在未處理人血漿中儲(chǔ)存一個(gè)月之后，目標(biāo)物檢測(cè)信號(hào)仍能保持初始值的88%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)同等條件下的其他傳感器。

圖4. 涂層的防污性能及傳感器生物檢測(cè)性能。圖片來(lái)源：

電化學(xué)生物傳感器是一種能夠?qū)㈦娀瘜W(xué)傳感和生物分子特異性識(shí)別相結(jié)合的傳感裝置，具有靈敏度高、檢測(cè)時(shí)間短、操作便利等優(yōu)點(diǎn)。另外，作為最典型的嵌入式系統(tǒng)，較小的體積使得便攜成為可能。目前應(yīng)用較成功的便攜式電化學(xué)傳感器只有電子血糖儀，無(wú)需前處理，能夠方便快速地檢測(cè)血糖含量，一般適用于血糖較高人群的健康監(jiān)測(cè)。該儀器是利用葡萄糖與葡萄糖氧化酶作用產(chǎn)生電信號(hào)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的，而很多疾病對(duì)應(yīng)的標(biāo)志物并沒(méi)有這樣的條件。目前常用基于“三明治結(jié)構(gòu)”構(gòu)建免疫傳感器以特異性檢測(cè)蛋白質(zhì)（點(diǎn)擊閱讀相關(guān)），但是血液中的其它物質(zhì)會(huì)因?yàn)榉翘禺愋晕蕉蓴_該特異性識(shí)別過(guò)程。防止電極表面的污染對(duì)免疫傳感器的實(shí)際應(yīng)用具有重要的價(jià)值，通常通過(guò)在電極表面進(jìn)行化學(xué)修飾以解決該問(wèn)題，比如修飾聚乙二醇，或者利用牛血清白蛋白（BSA）進(jìn)行封閉，盡管這些策略有效降低了污染的程度，但也會(huì)使電極表面阻抗增加，導(dǎo)致檢測(cè)靈敏度降低。因此，提出一種新型的防污策略在設(shè)計(jì)便攜式電化學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)中依然很有意義。

利用BSA與戊二醛交聯(lián)形成三維多孔基質(zhì)加入導(dǎo)電性優(yōu)良的金納米線制得抗污涂層，可保護(hù)電化學(xué)傳感器的電極表面，且不影響檢測(cè)靈敏度，可用于血漿、血清等復(fù)雜生物液體樣本中目標(biāo)物的檢測(cè)。
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