傳感器生物方面新的突破

最近，哈佛大學的Donald E. Ingber教授等人設計了一種簡單且耐用的納米復合材料抗污涂層，可以很好地保護電化學傳感器電極表面并且不會明顯影響檢測靈敏度，可用于例如血漿、血清等生物液體樣本中的標記物檢測。帶有這種抗污涂層電極的傳感器靈敏度高，選擇性好，檢測范圍廣，為實現(xiàn)構建便攜式電化學傳感器檢測多種疾病的標志物提供了可能。相關內(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)，同時摻雜導電納米材料，如金納米線（AuNW）、金納米顆?；蛱技{米管，提高導電性并提供結構支撐。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只帶有較弱的負電荷，也避免了帶正電荷生物分子的強吸附。作者基于“三明治結構”構建了電化學免疫傳感器（圖2a），將抗體結合在電極表面的納米復合材料抗污涂層上進行功能化，通過抗體、目標物和酶標抗體的免疫結合可形成三明治結構；酶再與底物反應生成產(chǎn)生電信號的化學物質(zhì)，電信號的強度與目標物的濃度直接相關，從而檢測電信號就能夠檢測目標物的濃度。對于金納米顆粒、碳納米管或金納米線的電化學實驗結果表明，摻雜金納米線時效果最好（圖2）。作者還對納米復合材料的抗污機制和交聯(lián)機制進行了研究。

圖2. 免疫傳感器機理圖與電極的照片，以及相應的電化學表征。

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

接下來，作者分別檢測了血清、血漿中的白細胞介素6（IL6）、胰島素和胰高血糖素目標物。結果發(fā)現(xiàn)，使用納米復合材料抗污涂層的電極的傳感器能夠以高靈敏度檢測出血漿、血清中的目標物（IL6的檢測限為23 pg/ml），而無涂層電極、聚乙二醇修飾的電極在血漿、血清這種復雜生物樣本中則沒有信號，證明BSA/AuNW/GA納米復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使用，并且信號損耗較小。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存一個月之后，目標物檢測信號仍能保持初始值的88%左右，遠遠超過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性能。圖片來源：

電化學生物傳感器是一種能夠?qū)㈦娀瘜W傳感和生物分子特異性識別相結合的傳感裝置，具有靈敏度高、檢測時間短、操作便利等優(yōu)點。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。目前應用較成功的便攜式電化學傳感器只有電子血糖儀，無需前處理，能夠方便快速地檢測血糖含量，一般適用于血糖較高人群的健康監(jiān)測。該儀器是利用葡萄糖與葡萄糖氧化酶作用產(chǎn)生電信號實現(xiàn)檢測的，而很多疾病對應的標志物并沒有這樣的條件。目前常用基于“三明治結構”構建免疫傳感器以特異性檢測蛋白質(zhì)（點擊閱讀相關），但是血液中的其它物質(zhì)會因為非特異性吸附而干擾該特異性識別過程。防止電極表面的污染對免疫傳感器的實際應用具有重要的價值，通常通過在電極表面進行化學修飾以解決該問題，比如修飾聚乙二醇，或者利用牛血清白蛋白（BSA）進行封閉，盡管這些策略有效降低了污染的程度，但也會使電極表面阻抗增加，導致檢測靈敏度降低。因此，提出一種新型的防污策略在設計便攜式電化學檢測系統(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)加入導電性優(yōu)良的金納米線制得抗污涂層，可保護電化學傳感器的電極表面，且不影響檢測靈敏度，可用于血漿、血清等復雜生物液體樣本中目標物的檢測。
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