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。
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
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]。
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。
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)。
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。
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。
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。
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)。
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。