基于电活性生物相容材料的生物传感界面构建及其应用研究

摘要

生物传感器是一个极为活跃的研究领域,其中电化学传感器因具有灵敏度高、选择性好、成本低、操作简单、分析速度快、易于微型化等优点,在环境监测、临床诊断、食品和医药工业等领域有着重要的应用价值。在电化学生物传感器的研制中,如何发展简单灵敏的固定方法将生物组分(如酶、抗原、抗体等)高效稳定地固定到电极表面,是制备性能优良的电化学生物传感器的关键。本研究工作致力于发展新型生物材料固定方法,以达到有效保持生物组分的活性、延长传感器使用寿命等目的,具体开展了如下研究工作:
　　 1.采用共价法合成壳聚糖-二茂铁(CS-Fc)氧化还原高聚物,进而通过简单可控的电沉积法将其与多壁碳纳米管(MWNTs)和葡萄糖氧化酶(GOD)一步共沉积于电极表面制备CS-Fc/MWNTs/GOD生物传感器,用于对葡萄糖的检测。构建的CS-Fc/MWNTs/GOD生物传感界面酶的固定提供了良好的微环境,且实现了电子介体在电极表面的稳定固载,有效提高了电极的稳定性。膜内MWNTs可作为电子传递“导线”,能极大地促进电极的电子传递速率,提高生物传感器的电催化活性和灵敏度,实现了对葡萄糖的高灵敏无试剂检测。
　　 2.采用金纳米粒子(Au NPs)和壳聚糖-二茂铁/多壁碳纳米管(CS-Fc/MWNTs)作为固定基质,制备稳定的CS-Fc/MWNTs/AuNPs传感界面,进而利用Au NPs对乙肝表面抗体(HBsAb)的强烈吸附,实现抗体在电极表面的固定化,从而制得无标记电流型乙肝免疫传感器。实验中采用红外光谱、扫描电镜、电化学实验等手段对传感界面的构建过程进行了表征。在最优实验条件下,采用示差脉冲伏安法(DPV)对HBsAg进行测定,线性检测范围为1-420ng mL-1,检出限为0.28 ng mL-1(S/N=3)。实验结果表明,本方法制备的免疫传感器具有检出限低、灵敏度高、响应时间短等特点,应用前景良好。
　　 3.本实验采用典型的层层组装技术(LBL)设计了一种简单、可控、稳定且含物质丰富的电化学免疫传感器制备方法。首先,在电极表面交替吸附带正电的CS-Fc/MWNTs和带负电的Au NPs构建{CS-Fc/MWNTs/Au NPs}n多层膜免疫仿生传感界面,进而利用Au NPs把抗体牢牢地固定于电极表面。这种三维多层膜结构具有优良的生物相容性、无毒性、传导性和氧化还原电活性,不仅大大增加了Au NPs在电极表面的负载量,使得进一步组装抗体的密度得到增加,并有效防止了抗体的泄露并保持其良好生物活性,从而制得高效的免疫传感界面。实验结果表明,该免疫传感器对HBsAg的检测简单,灵敏；具有良好的稳定性、重现性和抗干扰能力,在医学领域有良好的应用前景。
　　 4.本文首先在3-巯基丙烷磺酸钠盐(MPS)修饰的金片上组装一层带正电的CS-Fc,利用Au NPs与CS-Fc中的氨基之间的相互作用将Au NPs固定到金片表面,进而利用实现抗体在金片表面的固定化,制得免疫传感界面。结合电化学和表面等离子共振(SPR)检测技术,以甲胎蛋白(AFP)为例,利用磁性核壳Fe3O4@Au对SPR信号的放大增强作用,实现了对AFP的高灵敏性和选择性识别检测。采用SPR、循环伏安法和交流阻抗法对金片表面修饰过程进行表征。磁性核壳Fc3O4@Au不仅保持了Fe3O4核的磁性,可实现对样品进行快速分离、富集和提纯,而且Au壳的大比表面积和良好生物相容性,大大改善了二抗的有效负载密度,并保持了良好的生物活性,进而有效放大了SPR检测信号。该方法构建的免疫传感器检出限低(0.65ng/mL)、灵敏度高、稳定性好,具有良好的发展前景。