基于微间距叉指电极阵列技术的电化学生物免疫传感器的研究

摘要

生物传感器是一种以生物活性单元为敏感元件,结合化学、物理转换元件,对被分析物具有高度选择性的装置,它具有灵敏度高、检测速度快、操作简便、成本低、可进行连续动态监测等优点。本文在介绍生物传感器发展现状、组成及工作原理的基础上,对生物传感器在生命科学、医学、环境检测、食品工程及军事等领域中的应用研究进行了综述,并探讨了生物传感器的发展前景。本文制备了微间距叉指阵列电极,并将其用于生物免疫传感器的构建。其免疫传感器不仅在科研实验,还是在生产实践中都具有很好的应用前景。主要内容如下:
　　 (1)采用紫外光刻法(UV-LIGA)制备了微间距叉指阵列电极。近年来,微机电系统(MEMS,Micro Electro Mechanical System)研究及其应用的快速发展,推动了微细加工技术的不断改进和提高。UV-LIGA技术作为LIGA技术的一种派生技术,由于其光刻工艺中采用传统的紫外光源,与使用X射线的LIGA技术相比,尽管其制成的微结构质量和高宽比不及,但具有工艺简单,成本低廉的优势,因此受到广泛的关注和研究。运用其制作的微间距叉指阵列电极能够达到5μm的叉指间距,5μm的叉指线宽,3mm的叉指长度和100nm的镀金厚度。
　　 (2)建立了一种以微间距叉指阵列电极为基础电极,结合酶的生物催化银沉积反应来放大分析信号的高灵敏检测人免疫球蛋白G(hIgG)的电化学免疫传感器。该传感器可采用传统的夹心酶联免疫反应模式来完成免疫反应:羊抗人IgG抗体作为捕获抗体通过和微间距叉指电极表面的硅烷化层发生共价交联被固定到微间距里面。当有目标分析物hIgG和碱性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)标记IgG多克隆抗体存在的情况下,在电极表面和捕获抗体一起通过特异性免疫反应形成一个捕获IgG抗体/目标分析物hIgG/检测IgG抗体-ALP的夹心复合物。而吸附到电极表面的ALP能够催化其底物抗坏血酸磷酸酯(AAP)水解并生成相应的还原剂抗坏血酸(AA),AA能使银增强溶液中的银离子还原成银单质并沉积到微间距叉指电极表面,导致微间距叉指电极阵列上相邻两个金手指导通,从而增加微间距叉指电极的电导率。而根据欧姆定律,通过微间距叉指电极的电流和施加到微间距叉指电极上的电压成线性关系,且其斜率就代表电导率。因此,根据用线性扫描方法得到的伏安曲线就能很快计算出微间距叉指电极的电导率并用于IgG的定量分析。当IgG浓度在1.0fgmL-1～100 ng mL-1范围内变化时,检测到的导电率与IgG浓度成线性关系。
　　 (3)建立了一种用于检测汞离子的新型高灵敏,高选择性电化学传感器。这种方法利用了邻近的聚T的寡核苷酸链能与汞离子发生配位作用。末端标记了巯基的修饰了二茂铁多聚T寡核苷酸链通过自组装过程固定到金电极表面。当汞离子存在时,一对邻近的多聚T寡核苷酸链能够共同与汞离子发生配位作用,这样就触发了多聚T寡核苷酸链的构象变换,使得多聚T寡核苷酸链从原来的柔性单链结构变成相对刚性的双链复合物,从而使二茂铁远离电极表面,导致氧化还原电流显著减小。传感器的响应特征通过毛细管电泳和电化学测量来进行表征。与传统的阳极溶出伏安法相比,这种方法能够高选择性地识别汞离子相对于环境中的其他金属离子。这种传感器简便,操作容易,可再生使用,这种低成本的传感器在在线检测汞离子的应用方面具有相当大的潜力。