传感器生物方面新的突破

最近，哈佛大学的Donald E. Ingber教授等人设计了一种简单且耐用的纳米复合材料抗污涂层，可以很好地保护电化学传感器电极表面并且不会明显影响检测灵敏度，可用于例如血浆、血清等生物液体样本中的标记物检测。带有这种抗污涂层电极的传感器灵敏度高，选择性好，检测范围广，为实现构建便携式电化学传感器检测多种疾病的标志物提供了可能。相关内容发表在Nature Nanotechnology 杂志上。

图1. Donald E. Ingber教授。

这种抗污涂层包括由BSA与戊二醛（GA）交联而成的三维多孔基质，同时掺杂导电纳米材料，如金纳米线（AuNW）、金纳米颗粒或碳纳米管，提高导电性并提供结构支撑。该三维多孔基质孔径较小，避免了蛋白质的非特异性吸附；BSA只带有较弱的负电荷，也避免了带正电荷生物分子的强吸附。作者基于“三明治结构”构建了电化学免疫传感器（图2a），将抗体结合在电极表面的纳米复合材料抗污涂层上进行功能化，通过抗体、目标物和酶标抗体的免疫结合可形成三明治结构；酶再与底物反应生成产生电信号的化学物质，电信号的强度与目标物的浓度直接相关，从而检测电信号就能够检测目标物的浓度。对于金纳米颗粒、碳纳米管或金纳米线的电化学实验结果表明，掺杂金纳米线时效果最好（图2）。作者还对纳米复合材料的抗污机制和交联机制进行了研究。

图2. 免疫传感器机理图与电极的照片，以及相应的电化学表征。

图3. 利用扫描电子显微镜和原子力显微镜表征BSA/AuNW/GA纳米复合材料。

接下来，作者分别检测了血清、血浆中的白细胞介素6（IL6）、胰岛素和胰高血糖素目标物。结果发现，使用纳米复合材料抗污涂层的电极的传感器能够以高灵敏度检测出血浆、血清中的目标物（IL6的检测限为23 pg/ml），而无涂层电极、聚乙二醇修饰的电极在血浆、血清这种复杂生物样本中则没有信号，证明BSA/AuNW/GA纳米复合材料具有良好的防污性能。更重要的是这种抗污涂层还可以清洗重复使用，并且信号损耗较小。另外，作者还研究了带有这种抗污涂层的传感器的稳定性，该传感器在未处理人血浆中储存一个月之后，目标物检测信号仍能保持初始值的88%左右，远远超过同等条件下的其他传感器。

图4. 涂层的防污性能及传感器生物检测性能。图片来源：

电化学生物传感器是一种能够将电化学传感和生物分子特异性识别相结合的传感装置，具有灵敏度高、检测时间短、操作便利等优点。另外，作为最典型的嵌入式系统，较小的体积使得便携成为可能。目前应用较成功的便携式电化学传感器只有电子血糖仪，无需前处理，能够方便快速地检测血糖含量，一般适用于血糖较高人群的健康监测。该仪器是利用葡萄糖与葡萄糖氧化酶作用产生电信号实现检测的，而很多疾病对应的标志物并没有这样的条件。目前常用基于“三明治结构”构建免疫传感器以特异性检测蛋白质（点击阅读相关），但是血液中的其它物质会因为非特异性吸附而干扰该特异性识别过程。防止电极表面的污染对免疫传感器的实际应用具有重要的价值，通常通过在电极表面进行化学修饰以解决该问题，比如修饰聚乙二醇，或者利用牛血清白蛋白（BSA）进行封闭，尽管这些策略有效降低了污染的程度，但也会使电极表面阻抗增加，导致检测灵敏度降低。因此，提出一种新型的防污策略在设计便携式电化学检测系统中依然很有意义。

利用BSA与戊二醛交联形成三维多孔基质加入导电性优良的金纳米线制得抗污涂层，可保护电化学传感器的电极表面，且不影响检测灵敏度，可用于血浆、血清等复杂生物液体样本中目标物的检测。
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