二茂铁多肽纳米线-葡萄糖氧化酶复合物及其制备和应用方法

摘要

本发明公开了一种二茂铁多肽纳米线-葡萄糖氧化酶复合物及其制备和应用方法。首次基于二茂铁-二苯丙氨酸自组装纳米线并结合葡萄糖氧化酶制备葡萄糖传感器。该葡萄糖传感器制备简单，在37℃，pH=7.4的人体生理条件下具有较高的灵敏度和较宽的线性范围，有望实现商品化。同时，该酶传感器制备方法可望拓展到其它电化学酶传感器的构建。

说明书

技术领域

本发明公开了一种二茂铁多肽纳米线-葡萄糖氧化酶复合物及其制备和 应用方法，尤其是在制备基于多肽自组装纳米线作为电子媒介体的葡萄糖电 化学生物传感器上的应用方法。

背景技术

自克拉克和里昂开发出将酶固定于电极表面的检测方法以来（Annals of  the New York Academy of Sciences,1962,102,29-45），酶传感器得到了迅速发 展。近十年来，虽然不同种类的生物传感器和检测器件相继被开发出来，但 葡萄糖生物传感器的进一步完善和商业化依然是国际上生物传感器研究领 域的热门。血糖的实时监控对于糖尿病患者病情控制意义重大，现今血糖测 试仪已使糖尿病患者可在家中自行测定血糖值。

将葡萄糖氧化酶（Glucose oxidase，简称GOx）和电子媒介体二茂铁 （ferrocene，简称Fc)固定于工作电极上，当在检测体系中加入血样后，血 液中的葡萄糖被GOx氧化。Fc具有优良的电化学活性，可起到增强电子传 递、放大信号作用。通常分步将GOx和Fc固定到电极上，步骤较繁琐且影 响传感器的重现性。因此，我们考虑制备一种纳米复合材料同时包含Fc和 GOx，这样只需一步，将此纳米材料固定在电极上即可完成葡萄糖传感器的 制备。

近年来，自组装多肽纳米材料因其良好的生物相容性、简单的自组装过 程以及易于功能化等特点而备受关注（Journal of the American Chemical  Society,2010,132,15632-15636）。在已报道的多种多肽分子中，二苯丙氨酸 （diphenylalanine，Phe-Phe，简称FF）及其衍生物因其分子结构简单而得到 研究工作者青睐。在不同条件下，FF可自组装形成纳米管、纳米线，纳米 颗粒等。这类纳米材料表面的氨基或羧基使其可进行多样的化学修饰，从而 应用于构造复杂纳米器件、作为药物载体以及制备生物传感器。

发明内容

本发明的目的是提供一种二茂铁多肽纳米线-葡萄糖氧化酶复合物及其 制备和应用方法。本发明首次基于二茂铁-二苯丙氨酸（Fc-Phe-Phe-OH）通 过共价键、氢键等作用自组装形成的二茂铁多肽纳米线（Fc-Nano Peptide  Wires，简称Fc-PNWs），并结合葡萄糖氧化酶，得到Fc-Nano Peptide  Wires-GOx，简称Fc-PNWs-GOx，再由此制备了测定血糖的电化学生物传感 器。该传感器灵敏度高，检测限低且制备方法简单。

二茂铁多肽纳米线-葡萄糖氧化酶复合物的制备方法，包括以下任一方 式所述的步骤：

称取二茂铁-二苯丙氨酸溶于乙醇，待溶剂挥发后，二茂铁-二苯丙氨酸 逐渐析出并且自组装形成线型纳米材料A；将A加入蒸馏水中，在超声仪中 超声震荡，使A由团聚状态分散开来得到B；取壳聚糖溶液与B混合，震荡 超声后放置，使壳聚糖分子充分修饰到纳米线表面得到C；将C离心，移除 上层溶液，然后至少重复进行两次加pH=7.4的磷酸缓冲溶液、离心和移除上 层溶液的过程后滴入戊二醛的水溶液，形成混合物后震荡，然后离心得到D； 向D中加入葡萄糖氧化酶水溶液，震荡，放置，即制成二茂铁多肽纳米线-葡 萄糖氧化酶复合物；

或者

称取二茂铁-二苯丙氨酸溶于乙醇；待溶剂挥发后，二茂铁-二苯丙氨酸 逐渐析出并且自组装形成线型纳米材料A；将A加入磷酸缓冲溶液，在超声 仪中超声震荡，使A由团聚状态分散成单条纳米线状态，然后离心，再次加 入磷酸缓冲溶液，离心，移除上层溶液，得到E，分别取壳聚糖溶液，戊二 醛水溶液和葡萄糖氧化酶水溶液，加入E中配成二茂铁-二苯丙氨酸溶液， 震荡超声，放置，即制成二茂铁多肽纳米线-葡萄糖氧化酶复合物。

上述方法具体如下：

称取二茂铁-二苯丙氨酸溶于乙醇，配成2～5mg/mL的溶液；待溶剂挥发 后，二茂铁-二苯丙氨酸逐渐析出并且自组装形成线型纳米材料A；称取A2mg 加入1mL蒸馏水，在超声仪中超声震荡3～5分钟，使A由团聚状态分散开来 得到B；取1mL质量分数1%的壳聚糖溶液与B混合，震荡超声2分钟后放 置3小时，使壳聚糖分子充分修饰到纳米线表面得到C；将C离心，离心转 数为5000转/分钟，离心5分钟，移除上层溶液，然后重复进行两次加pH=7.4 的磷酸缓冲溶液、离心和移除上层溶液的过程后滴入500μL0.25%的戊二醛的 水溶液，形成混合物后震荡半小时，然后离心得到D；按照二茂铁-二苯丙氨 酸2mg/mL的配比，向D中加入10～15mg/mL的葡萄糖氧化酶水溶液，震荡 2-5分钟，放置24h，即制成二茂铁多肽纳米线-葡萄糖氧化酶复合物；

或者

称取2～5mg二茂铁-二苯丙氨酸溶于1mL乙醇；将溶液烘干待二茂铁- 二苯丙氨酸析出及自组装形成线型纳米材料A；称取A2mg加入1mL磷酸 缓冲溶液，在超声仪中超声3～5分钟，使A由团聚状态分散成单条纳米线状 态，然后5000转/分钟，离心5分钟，再次加入1mL磷酸缓冲溶液，离心， 移除上层溶液，得到E，分别取100μL0.5%质量分数的壳聚糖溶液， 450μL0.25%戊二醛水溶液和450μL10-15mg/mL的葡萄糖氧化酶水溶液，加 入E中配成2mg/mL的二茂铁-二苯丙氨酸溶液，震荡超声2～5分钟，放置 24小时，即制成二茂铁多肽纳米线-葡萄糖氧化酶复合物。

所述的二茂铁-二苯丙氨酸的制备方法如下：

1）将摩尔比1:1.2:1.2的单羧基二茂铁、1-羟基苯并三唑和苯并三氮唑 -N,N,N',N'-四甲基脲六氟磷酸盐溶在无水二氯甲烷中，体系置于冰浴中逐滴 加入三乙胺至体系环境pH达到8.0～9.0范围间；搅拌1小时；薄层层析点 板跟踪反应；待反应完毕，依次用饱和NaCO₃、5%HCl和蒸馏水各萃取一 次；萃取液浓缩，柱层析纯化，真空干燥；得暗红色化合物Fc-OBt；

2）将N-叔丁氧羰基-L-苯丙氨酸、苯并三氮唑-N,N,N',N'-四甲基脲六氟 磷酸盐和1-羟基苯并三唑溶解于无水二氯甲烷，三者的浓度均为4.4mM，冰 浴条件下逐滴加入三乙胺直至体系环境达到pH8-9范围间，反应1小时，再 加入L-苯丙氨酸甲酯盐酸盐，使之浓度达到4.4mM，室温搅拌18小时，薄 层色谱点板监测反应基本完全；依次用饱和NaHCO₃,10%HCl和蒸馏水洗 涤，并用Na₂SO₄干燥；减压蒸干，柱层析纯化，在旋转蒸发仪上旋转蒸干 至油状液体，移入冷冻干燥机内低温干燥，得Boc-Phe-Phe-OMe粉末；

3）将Boc-Phe-Phe-OMe溶于无水二氯甲烷20mL，浓度为2mM，再和 10mL三氟乙酸混合，常温搅拌反应30min，减压蒸干，所得中间产物 H-Phe-Phe-OMe溶解在2mL无水二氯甲烷中，用三乙胺调至pH=8；继续加 入20mL无水二氯甲烷稀释溶液，并加入步骤1）得到的Fc-OBt，使Fc-OBt 浓度为2.2mM，常温搅拌1小时，薄层层析点板跟踪反应；待反应完毕，依 次用饱和NaCO₃、5%HCl和蒸馏水萃取一次；萃取液浓缩，柱层析纯化， 真空干燥；得橙黄色化合物Fc-Phe-Phe-OMe；

4）将Fc-Phe-Phe-OMe溶解在12mL的四氢呋喃，浓度为1mM，再缓 慢滴加2.5mM的氢氧化锂6mL，室温下搅拌2小时；薄层层析点板跟踪反 应；待反应完毕，减压蒸馏将其中的四氢呋喃抽净，然后向此悬浊液里加入 二氯甲烷30mL，依次用5%HCl和蒸馏水萃取，减压旋转蒸干；柱层析纯化， 真空干燥，得到化合物Fc-Phe-Phe-OH。

上述的二茂铁多肽纳米线-葡萄糖氧化酶复合物的应用方法，用于制备检 测血糖的生物传感器或者试纸。在制备检测血糖的生物传感器时将制备得到 的二茂铁多肽纳米线-葡萄糖氧化酶复合物滴加于电极上，干燥后即可。优选 取10μL二茂铁多肽纳米线-葡萄糖氧化酶复合物滴加于电极上。

本发明使用的多肽为二茂铁-二苯丙氨酸。其结构如下：

有益效果：

（1）本发明利用二茂铁多肽纳米线的高比表面积来提高葡萄糖氧化酶 的负载量，同时5纳米长的纳米线上包含约8×10⁵个二茂铁分子是一种性 能优越的电子媒介体。与分步固定GOx和Fc的方法相比较，将其用于传感 器制备步骤简单，Fc-PNWs结合GOx形成Fc-PNWs-GOx后,只需一步即可 固定到电极表面，干燥后即可进行检测。

（2）本发明首次将葡萄糖氧化酶与含大量二茂铁分子的多肽纳米线结 合制成葡萄糖电化学传感器，与同类型传感器相比，制备过程简单，灵敏度 高，检测限低。该传感器在37℃，pH7.4生理条件下具有良好的检测性能。 在此条件下，对医院提供的血样的血糖值进行了检测，所得到的结果与医院 提供的数据吻合。

（3）本发明制备的二茂铁多肽纳米线-葡萄糖氧化酶复合物具有优良的 生物相容性和专一性，有望用于血糖试纸的开发。

（4）本发明制备的二茂铁多肽纳米线-葡萄糖氧化酶复合物，其制备方 法可推广到其他类型的酶与二茂铁多肽纳米线复合物的构建，从而有望开发 出检测多种物质的酶生物传感器。

（5）本发明中的电化学生物传感器制备简单，自组装纳米线廉价且易 合成，在生物传感方面具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为将葡萄糖氧化酶修饰到二茂铁多肽纳米线上的示意图；

图2为二茂铁多肽纳米线的原子力显微镜图；

图3为二茂铁多肽纳米线的扫描电子显微镜图；

图4（A）为二茂铁多肽纳米线修饰电极10圈扫描的循环伏安图；（B）为 葡萄糖传感器对葡萄糖的循环伏安响应图，1号曲线为体系含有20mmol/L葡萄 糖的循环伏安响应图，2号曲线为10mmol/L，3号为0；（C）为葡萄糖传感器对 连续加入葡萄糖的电流-时间响应图；（D）为葡萄糖传感器的校准曲线。

具体实施方式

下面列举实施方式对本发明进行具体描述，但不限于以下实例。

实施例1

称取2～5mg二茂铁-二苯丙氨酸溶于1mL乙醇。将溶液烘干，二茂铁- 二苯丙氨酸自组装形成线型纳米材料A。称取A2mg加入1mL蒸馏水，在 超声仪中超声3～5分钟，使A由团聚状态分散开来得到B。取1mL1%（质 量分数）壳聚糖溶液与B混合，震荡超声2分钟后放置3小时，形成C。将 C在5000转/分钟条件下离心5分钟，移除上层溶液，离心后加适量磷酸缓 冲溶液（pH=7.4），重复加磷酸缓冲溶液离心步骤2次，最后滴入500μL戊 二醛（0.25%）水溶液形成混合物后震荡半小时，然后离心得到D。按照二 茂铁-二苯丙氨酸2mg/mL的配比，向D中加入10mg/mL的葡萄糖氧化酶水 溶液，震荡2～5分钟，放置24h，即制成Fc-PNWs-GOx。取10μLFc-PNWs-GOx 滴加于电极上，干燥后即可进行电化学测试。

实施例2

称取5mg二茂铁-二苯丙氨酸溶于1mL乙醇。将溶液烘干待二茂铁-二苯 丙氨酸析出及自组装形成线型纳米材料A。称取A2mg加入1mLPBS，在超 声仪中超声5分钟，使A由团聚状态分散成单条纳米线状态，然后5000转/ 分钟，离心5分钟，再次加入1mL磷酸缓冲溶液，离心，移除上层溶液， 得到E；

分别取100μL0.5%质量分数的壳聚糖溶液，450μL0.25%戊二醛水溶液和 450μL10mg/mL的葡萄糖氧化酶水溶液，加入E中配成2mg/mL的Fc-PNWs 溶液，震荡超声5分钟，放置24小时，形成附着于纳米线表面的壳聚糖与葡 萄糖氧化酶的复合物，Fc-PNWs-GOx即制成。取10μLFc-PNWs-GOx滴加于 电极上，干燥，用二次水冲洗电极以除去未附着在纳米线上的葡萄糖氧化酶， 随后进行检测。

实施例3

一，将摩尔比1:1.2:1.2的单羧基二茂铁(Fc-COOH)、1-羟基苯并三唑 (HOBt)和苯并三氮唑-N,N,N',N'-四甲基脲六氟磷酸盐(HBTU)溶在无水二氯 甲烷(DCM)中，体系置于冰浴中逐滴加入三乙胺(Et₃N)至体系环境pH达到 8.0～9.0范围间；搅拌1小时；薄层层析点板跟踪反应；待反应完毕，依次 用饱和NaCO₃、5%HCl和蒸馏水各萃取一次；萃取液浓缩，柱层析纯化， 真空干燥；得暗红色化合物Fc-OBt；

二，将N-叔丁氧羰基-L-苯丙氨酸（Boc-Phe-COOH，4mM),HBTU、HOBt (均为4.4mM)溶解于DCM，冰浴条件下逐滴加入2mL Et₃N至pH至8-9，反 应1小时，再加入L-苯丙氨酸甲酯盐酸盐（H-Phe-OMe·HCl，4.4mM)，室 温搅拌18小时，薄层色谱点板监测反应基本完全。分别用饱和NaHCO₃, 10%HCl和蒸馏水洗涤并用Na₂SO₄干燥。减压蒸干，柱层析纯化，在旋转蒸 发仪上旋转蒸干至油状液体，移入冷冻干燥机内低温干燥，得 Boc-Phe-Phe-OMe粉末。

三，将Boc-Phe-Phe-OMe(2mM)溶于DCM(20mL)和TFA(10mL)混合溶 液中，常温搅拌反应30min，减压蒸干，所得中间产物H-Phe-Phe-OMe溶解 在2mL DCM中，用Et₃N调至pH=8。继续加入DCM(20mL)稀释溶液，并 加入Fc-OBt(2.2mM)常温搅拌1小时，薄层层析点板跟踪反应；待反应完毕， 依次用饱和NaCO₃、5%HCl和蒸馏水各萃取一次；萃取液浓缩，柱层析纯 化，真空干燥；得橙黄色化合物Fc-Phe-Phe-OMe。

四，将Fc-Phe-Phe-OMe（1mM）溶解在12mL的四氢呋喃，缓慢滴加 2.5mM的氢氧化锂6mL，室温下搅拌2小时。薄层层析点板跟踪反应；待 反应完毕，减压蒸馏尽量将其中的四氢呋喃抽净，然后向此悬浊液里加入二 氯甲烷30mL，依次用5%HCl和蒸馏水萃取，减压旋转蒸干。柱层析纯化， 真空干燥，得到化合物Fc-Phe-Phe-OH。

实施例4

一，采用参比电极（银/氯化银电极），对电极（铂电极），工作电极（修 饰电极）的三电极体系，Fc-PNWs-GOx修饰电极在3mL100mmol/L磷酸盐 （pH=7.4）中，电压扫描范围0～0.7V，扫描速率为0.1V/s条件下进行循环伏 安测试。如图4（A）和（B），实验结果显示，修饰电极稳定性较好，随着 葡萄糖浓度的增加(0、10和20mmol/L)，Fc的氧化峰电流明显升高，由此可 以说明Fc-PNWs结合大量GOx，间接提高了电极面积，且Fc促进了电子在酶 和电极表面之间的转移，同时CS包覆既不影响葡萄糖扩散也不影响Fc-PNWs 和GOx分子间的电子转移。

二，三电极体系下，Fc-PNWs-GOx修饰电极在3mL100mmol/L磷酸 盐（pH=7.4）中，电压0.6V，采集间隔0.1s，每隔20s进样一次，进样量为6μL （100mmol/L葡萄糖溶解于磷酸缓冲溶液），进行计时安培电流测试，图4（C） 显示在0.2～2mmol/L的范围内，响应电流值与葡萄糖浓度呈现较好的线性关 系，经测定保持线性关系最高葡萄糖浓度为3mmol/L，最低浓度为0.01 mmol/L，标准曲线如图4（D）所示，信噪比为3时检出限为5μmol/L，图中 所有点的误差线（error bar，即相对标准偏差值）均小于6%。说明 Fc-PNWs-GOx传感器具有较好的重现性和再生性。

三，采用二中的检测方法检测3种人体血样检测结果与医院提供数据 比对如下表：

正常人与糖尿病患者血样检测

样品号 1 2 3 Fc-PNWs-GOx修饰电极(mM) 5.52±0.27 6.27±0.30 9.37±0.42 比色测试法(mM) 5.60±0.23 6.30±0.24 9.30±0.34 相对偏差(%) –1.6 –0.4 0.8

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本 行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说 明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提 下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发 明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。