夏 詠 湯清倫 韋 煒

（1.湖北省紡織新材料及其應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢，430200；2.武漢紡織大學(xué)，湖北武漢，430200）

隨著生物傳感器快速檢測(cè)技術(shù)在生物醫(yī)藥、環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品、臨床醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用的崛起，導(dǎo)電聚合物應(yīng)用于生物傳感器的研究引起了國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者的關(guān)注。1986 年，F(xiàn)OULDS N C 等首次將葡萄糖氧化酶通過(guò)包埋的方式固定在聚吡咯中，制備了第一個(gè)酶生物傳感器，從此揭開(kāi)了導(dǎo)電聚合物在生物傳感器中應(yīng)用的序幕［1］。導(dǎo)電聚合物具有質(zhì)輕、空氣中熱穩(wěn)定的電導(dǎo)能力，部分復(fù)合導(dǎo)電聚合物還具有良好的生物相容性；導(dǎo)電聚合物在生物傳感器中應(yīng)用時(shí)，其形貌、結(jié)構(gòu)、維度等因素對(duì)導(dǎo)電聚合物的電化學(xué)性能均有影響［2?4］。三維結(jié)構(gòu)導(dǎo)電聚合物比傳統(tǒng)的二維導(dǎo)電聚合物擁有更大的比表面積，可提供更多的導(dǎo)電聚合物分子，能負(fù)載更多的生物活性分子，生物活性物質(zhì)與待檢測(cè)物質(zhì)特異性反應(yīng)產(chǎn)生的電子可直接與電極材料表面接觸，提高了生物傳感器的響應(yīng)速度［5］。

本文介紹了生物傳感器的原理，三維導(dǎo)電聚合物的三維空間結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法，以及在生物傳感器領(lǐng)域應(yīng)用的性能特點(diǎn)，并對(duì)三維導(dǎo)電聚合物在生物傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用前景作出展望。

1 三維導(dǎo)電聚合物傳感器原理及構(gòu)建方法

1.1 生物傳感器的原理

生物傳感器是利用生物或者生化反應(yīng)檢測(cè)目標(biāo)分析物的分析裝置，主要由生物元件和傳感器組成，而導(dǎo)電聚合物生物傳感器通過(guò)固定化生物體成分（酶、抗體、抗原）或生物體本身（細(xì)胞、微生物等）等生物材料作為敏感器件，以負(fù)載有生物材料的導(dǎo)電聚合物修飾的電極（固體電極）作為轉(zhuǎn)換器件，其原理示意圖如圖1 所示［6?7］。采用包埋或吸附方式固定在導(dǎo)電聚合物膜上的生物活性物質(zhì)與待檢測(cè)物通過(guò)接觸產(chǎn)生物理或化學(xué)反應(yīng)，三維結(jié)構(gòu)導(dǎo)電聚合物可使電子在生物活性物質(zhì)（活性中心）直接轉(zhuǎn)移到電極表面，可以很大限度地提高生物傳感器的靈敏度。換能器將物理或化學(xué)變化產(chǎn)生的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，數(shù)字分析系統(tǒng)再對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理分析。

圖1 導(dǎo)電聚合物生物傳感器工作原理示意圖

1.2 三維導(dǎo)電聚合物及其三維結(jié)構(gòu)的構(gòu)建

導(dǎo)電聚合物有結(jié)構(gòu)型和填充型兩種［8］。結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電聚合物具有共軛長(zhǎng)鏈狀結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)摻雜，離域π 鍵能夠在分子鏈上部形成穩(wěn)定電流，賦予分子導(dǎo)電性能，例如常見(jiàn)的聚苯胺、聚吡咯（以下簡(jiǎn)稱(chēng) PPy）、聚噻吩［9?11］。結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電聚合物通過(guò)原位聚合、層間堆積等方式構(gòu)成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。填充型導(dǎo)電聚合物則是使用導(dǎo)電材料填充聚合物形成的復(fù)合導(dǎo)電聚合物。例如，三維結(jié)構(gòu)的石墨烯與聚苯乙烯復(fù)合形成的三維結(jié)構(gòu)復(fù)合導(dǎo)電聚合物。三維結(jié)構(gòu)導(dǎo)電聚合物包含填充型導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料和本征結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電聚合物。目前實(shí)現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)導(dǎo)電聚合物最常用的方法有原位聚合法和化學(xué)氣相沉積法。

1.2.1 原位聚合法

原位聚合法是指導(dǎo)電聚合物單體在氧化劑的作用下產(chǎn)生原位聚合反應(yīng)，聚合物單體通過(guò)分子間作用力，使導(dǎo)電聚合物產(chǎn)生片狀、螺旋狀、網(wǎng)狀等三維結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電聚合物。原位聚合法適用于聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等導(dǎo)電高分子。該方法制備導(dǎo)電聚合物最為簡(jiǎn)單，可通過(guò)一步法制備包埋形式的生物傳感器。在導(dǎo)電聚合物原位聚合的同時(shí)將生物活性分子包埋在導(dǎo)電聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)電聚合物不僅起支撐空間結(jié)構(gòu)的作用，還可作為導(dǎo)電材料將電信號(hào)傳到活性分子上。WU H 等使用原位聚合法制備了具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的兩性離子聚磺基苯并噻吩葡萄糖生物傳感器［12］。

1.2.2 化學(xué)氣相沉積法

化學(xué)氣相沉積法是指將導(dǎo)電聚合物通過(guò)化學(xué)聚合沉積在具有三維結(jié)構(gòu)的模板上，形成三維結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電聚合物。VOITECHOVIC E 等采用化學(xué)氣相沉積法將苯胺單體聚合沉積在三維叉指電極陣列表面，形成三維叉指結(jié)構(gòu)的聚苯胺酶生物傳感器［13］。

2 三維導(dǎo)電聚合物生物傳感器的應(yīng)用

2.1 酶三維導(dǎo)電聚合物生物傳感器

酶生物傳感器具有靈敏度高、專(zhuān)一性強(qiáng)、檢測(cè)限低、選擇性好、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，是最早商品化的生物傳感器，也是被研究最多、應(yīng)用最廣泛的一類(lèi)生物傳感器［14?15］。使用導(dǎo)電聚合物固定酶制備的生物傳感器均勻性較好，導(dǎo)電聚合物膜的選擇透過(guò)性還能提高酶生物傳感器的抗干擾能力［16］。將酶生物活性物質(zhì)固定于三維導(dǎo)電聚合物上，并用來(lái)修飾電極，可以在很大程度上提高酶生物傳感器的檢測(cè)極限。

KANG Z 等以聚苯胺單體和碳納米管（即CNTs）為原料，通過(guò)高溫炭化制備了根瘤菌結(jié)構(gòu)PANI/CNTs 三維復(fù)合材料，并作用于酶生物傳感器［17］。將聚苯胺均勻地分布在碳納米管表面，使炭化后的聚苯胺起“導(dǎo)電膠”的作用，將相鄰的碳納米管連接起來(lái)形成三維結(jié)構(gòu)。聚苯胺的黏連作用可以有效降低碳納米管連接處的電阻。制備的 Nafion/DOx/PANI1600@?CNTs/GCE 電極材料不僅具有良好的檢測(cè)性能，還能對(duì)葡萄糖起氧化催化作用，是固定酶的良好電極材料。該電極材料在0.45 V 電壓下最大輸出功率為1.12 mW/cm2。該制備方法提供了導(dǎo)電聚合物與無(wú)機(jī)材料形成的復(fù)合材料在高溫炭化下實(shí)際應(yīng)用的思路，有助于導(dǎo)電聚合物在生物傳感器領(lǐng)域的發(fā)展。

2.2 DNA 生物傳感器

傳統(tǒng)的熒光識(shí)別DNA 傳感器是通過(guò)熒光檢測(cè)探針DNA 表面結(jié)構(gòu)的改變，電化學(xué)DNA 生物傳感器通過(guò)表面探針DNA 與靶序列結(jié)合檢測(cè)其電信號(hào)。電化學(xué)DNA 生物傳感器制備更簡(jiǎn)單，檢測(cè)速度更快，靈敏度更高，相較于熒光識(shí)別DNA 生物傳感器應(yīng)用更為廣泛［18］。YANG Y 等采用原位氧化聚合法合成了三維結(jié)構(gòu)還原氧化石墨烯與聚苯胺的棒狀納米復(fù)合物（以下簡(jiǎn)稱(chēng)3D?rGO@PANI）［19］。聚苯胺均勻分布三維結(jié)構(gòu)石墨烯表面，富含氨基3D?rGO@PANI 對(duì)含有胸腺嘧啶的DNA 鏈的固定具有很高的親和力，用該復(fù)合物作為DNA 固定的載體用于環(huán)境中Hg2+的檢測(cè)，得益于胸腺嘧啶與Hg2+易結(jié)合形T?Hg2+?T配位。采用電化學(xué)阻抗譜法測(cè)定顯示基于3D?rGO@PANI 納米復(fù)合材料的電化學(xué)生物傳感器對(duì)Hg2+在0.1 nmol/L～100 nmol/L 范圍內(nèi)具有較高的靈敏度和選擇性，檢測(cè)下限為0.035 nmol/L。該生物傳感器同樣可用于環(huán)境中多種重金屬離子的檢測(cè)。

2.3 微生物傳感器

微生物細(xì)胞傳感器的原理是通過(guò)基因融合將與特定檢測(cè)物相關(guān)啟動(dòng)子元件和報(bào)道基因構(gòu)建于質(zhì)粒或染色體DNA 上，并在宿主菌中表達(dá)。環(huán)境中的待檢測(cè)作為啟動(dòng)子元件，特異性受體（酶、抗體等）對(duì)其進(jìn)行識(shí)別，并使之在基因中表達(dá)。微生物傳感器能夠?qū)崟r(shí)、快速、真實(shí)地反應(yīng)被檢測(cè)物與細(xì)胞之間的反應(yīng)程度，其特點(diǎn)是檢測(cè)下限低，且多用于環(huán)境中重金屬的檢測(cè)［20］。

所有的廢水檢測(cè)參數(shù)中，生化需氧量（Bio?chemical Oxygen Demand，以下簡(jiǎn)稱(chēng) BOD）是確定廢水相對(duì)需氧量最重要、最常用的參數(shù)之一［21］。HU J 等采用水熱法制備三維多孔石墨烯聚吡咯（以下簡(jiǎn)稱(chēng)rGO?PPy）復(fù)合材料，然后以三維多孔rGO?PPy 復(fù)合材料為載體，通過(guò)配位和靜電相互作用固定了帶負(fù)電的枯草桿菌rGO?PPy?B［22］。進(jìn)一步，將制備的 rGO?PPy?B 作為微生物生物膜，以鐵氰化物為電子受體構(gòu)建了介導(dǎo)的BOD 生物傳感器，采用叉指超微電極陣列為工作電極，對(duì)還原鐵氰化物介質(zhì)中產(chǎn)生的亞鐵氰化物進(jìn)行電化學(xué)測(cè)定，對(duì)還原鐵氰化物測(cè)定間接表達(dá)BOD 的含量。結(jié)果顯示，在 4 mg/L～60 mg/L 范圍內(nèi)，電流響應(yīng)與BOD 標(biāo)準(zhǔn)濃度呈良好的線(xiàn)性關(guān)系，檢測(cè)極限為1.8 mg/L。這種方法制備的微生物傳感器在實(shí)際水質(zhì)檢測(cè)中展現(xiàn)出巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。

2.4 葡萄糖生物傳感器

葡萄糖生物傳感器常用來(lái)檢測(cè)尿液、血液中葡萄糖濃度，在食品和生物學(xué)領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景［23］。CHEN X 等采用分步電沉積法制備了三維有序大孔自摻雜聚苯胺/普魯士藍(lán)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)3DOM SPAN/PB）雙組分薄膜［24］。在這種雙組分薄膜中，鉛不僅起到氧化還原介質(zhì)的作用，而且在中性或弱堿性溶液中，通過(guò)保護(hù)膜頂?shù)目鐚佣岣吡朔€(wěn)定性。利用3DOM SPAN/PB 薄膜具有較大的比表面積和良好的導(dǎo)電性，制備了一種新型葡萄糖生物傳感器。在理想試驗(yàn)條件下，用該雙組分膜修飾電極制備的葡萄糖生物傳感器在檢測(cè)葡萄糖濃度為 2 μmol/L～1 600 μmol/L 時(shí)呈良好的線(xiàn)性關(guān)系，并且葡萄糖濃度檢測(cè)下限達(dá)0.4 mmol/L。與傳統(tǒng)的鉛基生物傳感器相比，該材料在實(shí)際應(yīng)用中響應(yīng)時(shí)間更短，重復(fù)使用率高，操作穩(wěn)定性更好，對(duì)被檢測(cè)樣品不需要進(jìn)行任何預(yù)處理。

2.5 H2O2生物傳感器

H2O2俗稱(chēng)雙氧水，具有氧化性，是細(xì)胞代謝生理過(guò)程產(chǎn)生的副產(chǎn)物，在生物細(xì)胞分析中具有價(jià)值。常見(jiàn)的H2O2分析是使用辣根過(guò)氧化物酶，但是酶型生物傳感器制作成本高。與現(xiàn)有的基于辣根過(guò)氧化物酶、血紅蛋白或細(xì)胞色素c 的酶過(guò)氧化氫生物傳感器相比，非酶過(guò)氧化氫生物傳感器可以降低成本，消除酶?jìng)鞲衅鞴逃械碾娀钚晕锓N干擾和酶穩(wěn)定性差等問(wèn)題。WANG Q 等設(shè)計(jì)了一種三維微納米界面非酶型細(xì)胞生物傳感器，基于PPy 良好的生物相容性，該傳感器使活細(xì)胞直接生長(zhǎng)在新型中空角狀聚吡咯（以下簡(jiǎn)稱(chēng)hP?Py）/二氧化錳膜上，并用于原位檢測(cè) H2O2［25］。釋放的過(guò)氧化氫分子將被催化劑快速捕獲并被傳感電極有效檢測(cè)，有效防止過(guò)氧化氫釋放出來(lái)后迅速衰減，從而大大提高檢測(cè)精度。細(xì)胞黏附試驗(yàn)結(jié)果表明，所制備的三維微納陣列膜具有良好的細(xì)胞黏附性。電化學(xué)研究結(jié)果表明，該平臺(tái)具有較高的電活性和良好的電子運(yùn)輸性能，儲(chǔ)存60 天后其電流響應(yīng)沒(méi)有明顯下降。與傳統(tǒng)的花椰菜型PPy 或辣根過(guò)氧化物修飾的酶型傳感器相比，所制備的3D?hPPy/MnO2陣列薄膜與癌細(xì)胞具有良好的匹配性，增強(qiáng)了細(xì)胞與基底的相互作用，提高了細(xì)胞的捕獲能力，從而提高了電子轉(zhuǎn)移效率。

2.6 無(wú)標(biāo)記生物傳感平臺(tái)

傳統(tǒng)的生物傳感器在設(shè)計(jì)時(shí)常常在結(jié)構(gòu)和性能上只針對(duì)一種生物分子作考慮，為提高生物傳感器的適用性和使用性能，許多研究人員開(kāi)始設(shè)計(jì)適合多種不同生物分子的生物傳感器平臺(tái)。SOGANCI T 等設(shè)計(jì)了一種超結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電聚合物生物傳感器平臺(tái)，該生物傳感平臺(tái)以三維結(jié)構(gòu)雙胺基取代的噻吩基?吡咯衍生物為修飾基材，雙功能酰胺基會(huì)增加大量氫鍵的鏈間的相互作用，從而使表面的聚合物結(jié)構(gòu)剛性并迫使其平面化，而平面結(jié)構(gòu)允許p 軌道最大程度的重疊［26］。三維鏈結(jié)構(gòu)可以增加生物傳感器平臺(tái)的靈敏性、穩(wěn)定性，自由的氨基則通過(guò)共價(jià)鍵與生物分子相結(jié)合。將二酮和胺脫水合成的單體BTP 與葡萄糖氧化酶復(fù)合應(yīng)用在該生物傳感平臺(tái)上，并用于飲料中葡萄糖的檢測(cè)。結(jié)果顯示，在0.1 mmol/L～1 mmol/L葡萄糖濃度范圍之間，P?（BTP）/GOx呈線(xiàn)性關(guān)系，葡萄糖的檢出限和靈敏度分別為0.034 mmol/LM 和9.43 μA/mmol·cm2。相較于傳統(tǒng)的石墨烯或碳納米管修飾的生物傳感器，所設(shè)計(jì)的含官能團(tuán)的三維導(dǎo)電聚合物生物傳感器平臺(tái)在不添加碳納米管或石墨烯的情況下具有良好的穩(wěn)定性和良好的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于三維結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電聚合物具有較大的比表面積、穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)、良好的導(dǎo)電能力和生物相容性，將其應(yīng)用于生物傳感電極材料的修飾，可以很大程度上提高生物傳感器的靈敏度、檢測(cè)極限和重復(fù)使用性。通過(guò)三維結(jié)構(gòu)控制，導(dǎo)電聚合物功能化處理，與碳納米管或金納米粒子復(fù)合，可以賦予三維結(jié)構(gòu)導(dǎo)電聚合物更好的性能。相信隨著三維結(jié)構(gòu)導(dǎo)電聚合物對(duì)被檢測(cè)抗干擾能力的提高以及生物活性物質(zhì)維持時(shí)間的改善，其可廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥管理、臨床醫(yī)學(xué)診斷、環(huán)境衛(wèi)生檢測(cè)和食品安全監(jiān)督等領(lǐng)域。此外，在紡織領(lǐng)域的工業(yè)化應(yīng)用中，以三維導(dǎo)電聚合物為基底修飾的生物傳感器，有望在紡織品生物染色、紡織品中微量重金屬及污染物含量檢測(cè)等領(lǐng)域中表現(xiàn)出顯著的應(yīng)用價(jià)值。