夏 詠 湯清倫 韋 煒

（1.湖北省紡織新材料及其應用重點實驗室，湖北武漢，430200；2.武漢紡織大學，湖北武漢，430200）

隨著生物傳感器快速檢測技術(shù)在生物醫(yī)藥、環(huán)境監(jiān)測、食品、臨床醫(yī)學等領域應用的崛起，導電聚合物應用于生物傳感器的研究引起了國內(nèi)外許多學者的關(guān)注。1986 年，F(xiàn)OULDS N C 等首次將葡萄糖氧化酶通過包埋的方式固定在聚吡咯中，制備了第一個酶生物傳感器，從此揭開了導電聚合物在生物傳感器中應用的序幕［1］。導電聚合物具有質(zhì)輕、空氣中熱穩(wěn)定的電導能力，部分復合導電聚合物還具有良好的生物相容性；導電聚合物在生物傳感器中應用時，其形貌、結(jié)構(gòu)、維度等因素對導電聚合物的電化學性能均有影響［2?4］。三維結(jié)構(gòu)導電聚合物比傳統(tǒng)的二維導電聚合物擁有更大的比表面積，可提供更多的導電聚合物分子，能負載更多的生物活性分子，生物活性物質(zhì)與待檢測物質(zhì)特異性反應產(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速度［5］。

本文介紹了生物傳感器的原理，三維導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域應用的性能特點，并對三維導電聚合物在生物傳感器領域的應用前景作出展望。

1 三維導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檢測目標分析物的分析裝置，主要由生物元件和傳感器組成，而導電聚合物生物傳感器通過固定化生物體成分（酶、抗體、抗原）或生物體本身（細胞、微生物等）等生物材料作為敏感器件，以負載有生物材料的導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電聚合物膜上的生物活性物質(zhì)與待檢測物通過接觸產(chǎn)生物理或化學反應，三維結(jié)構(gòu)導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變化產(chǎn)生的信號轉(zhuǎn)換成電信號，數(shù)字分析系統(tǒng)再對電信號進行處理分析。

圖1 導電聚合物生物傳感器工作原理示意圖

1.2 三維導電聚合物及其三維結(jié)構(gòu)的構(gòu)建

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

1.2.1 原位聚合法

原位聚合法是指導電聚合物單體在氧化劑的作用下產(chǎn)生原位聚合反應，聚合物單體通過分子間作用力，使導電聚合物產(chǎn)生片狀、螺旋狀、網(wǎng)狀等三維結(jié)構(gòu)的導電聚合物。原位聚合法適用于聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等導電高分子。該方法制備導電聚合物最為簡單，可通過一步法制備包埋形式的生物傳感器。在導電聚合物原位聚合的同時將生物活性分子包埋在導電聚合物網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中，導電聚合物不僅起支撐空間結(jié)構(gòu)的作用，還可作為導電材料將電信號傳到活性分子上。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 化學氣相沉積法

化學氣相沉積法是指將導電聚合物通過化學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)的導電聚合物。VOITECHOVIC E 等采用化學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 三維導電聚合物生物傳感器的應用

2.1 酶三維導電聚合物生物傳感器

酶生物傳感器具有靈敏度高、專一性強、檢測限低、選擇性好、操作簡單等優(yōu)點，是最早商品化的生物傳感器，也是被研究最多、應用最廣泛的一類生物傳感器［14?15］。使用導電聚合物固定酶制備的生物傳感器均勻性較好，導電聚合物膜的選擇透過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)固定于三維導電聚合物上，并用來修飾電極，可以在很大程度上提高酶生物傳感器的檢測極限。

KANG Z 等以聚苯胺單體和碳納米管（即CNTs）為原料，通過高溫炭化制備了根瘤菌結(jié)構(gòu)PANI/CNTs 三維復合材料，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“導電膠”的作用，將相鄰的碳納米管連接起來形成三維結(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性能，還能對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電聚合物與無機材料形成的復合材料在高溫炭化下實際應用的思路，有助于導電聚合物在生物傳感器領域的發(fā)展。

2.2 DNA 生物傳感器

傳統(tǒng)的熒光識別DNA 傳感器是通過熒光檢測探針DNA 表面結(jié)構(gòu)的改變，電化學DNA 生物傳感器通過表面探針DNA 與靶序列結(jié)合檢測其電信號。電化學DNA 生物傳感器制備更簡單，檢測速度更快，靈敏度更高，相較于熒光識別DNA 生物傳感器應用更為廣泛［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合物（以下簡稱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 對含有胸腺嘧啶的DNA 鏈的固定具有很高的親和力，用該復合物作為DNA 固定的載體用于環(huán)境中Hg2+的檢測，得益于胸腺嘧啶與Hg2+易結(jié)合形T?Hg2+?T配位。采用電化學阻抗譜法測定顯示基于3D?rGO@PANI 納米復合材料的電化學生物傳感器對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。

2.3 微生物傳感器

微生物細胞傳感器的原理是通過基因融合將與特定檢測物相關(guān)啟動子元件和報道基因構(gòu)建于質(zhì)?；蛉旧wDNA 上，并在宿主菌中表達。環(huán)境中的待檢測作為啟動子元件，特異性受體（酶、抗體等）對其進行識別，并使之在基因中表達。微生物傳感器能夠?qū)崟r、快速、真實地反應被檢測物與細胞之間的反應程度，其特點是檢測下限低，且多用于環(huán)境中重金屬的檢測［20］。

所有的廢水檢測參數(shù)中，生化需氧量（Bio?chemical Oxygen Demand，以下簡稱 BOD）是確定廢水相對需氧量最重要、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（以下簡稱rGO?PPy）復合材料，然后以三維多孔rGO?PPy 復合材料為載體，通過配位和靜電相互作用固定了帶負電的枯草桿菌rGO?PPy?B［22］。進一步，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)建了介導的BOD 生物傳感器，采用叉指超微電極陣列為工作電極，對還原鐵氰化物介質(zhì)中產(chǎn)生的亞鐵氰化物進行電化學測定，對還原鐵氰化物測定間接表達BOD 的含量。結(jié)果顯示，在 4 mg/L～60 mg/L 范圍內(nèi)，電流響應與BOD 標準濃度呈良好的線性關(guān)系，檢測極限為1.8 mg/L。這種方法制備的微生物傳感器在實際水質(zhì)檢測中展現(xiàn)出巨大的潛在應用價值。

2.4 葡萄糖生物傳感器

葡萄糖生物傳感器常用來檢測尿液、血液中葡萄糖濃度，在食品和生物學領域有廣泛應用前景［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（以下簡稱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，通過保護膜頂?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電性，制備了一種新型葡萄糖生物傳感器。在理想試驗條件下，用該雙組分膜修飾電極制備的葡萄糖生物傳感器在檢測葡萄糖濃度為 2 μmol/L～1 600 μmol/L 時呈良好的線性關(guān)系，并且葡萄糖濃度檢測下限達0.4 mmol/L。與傳統(tǒng)的鉛基生物傳感器相比，該材料在實際應用中響應時間更短，重復使用率高，操作穩(wěn)定性更好，對被檢測樣品不需要進行任何預處理。

2.5 H2O2生物傳感器

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

2.6 無標記生物傳感平臺

傳統(tǒng)的生物傳感器在設計時常常在結(jié)構(gòu)和性能上只針對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，許多研究人員開始設計適合多種不同生物分子的生物傳感器平臺。SOGANCI T 等設計了一種超結(jié)構(gòu)的導電聚合物生物傳感器平臺，該生物傳感平臺以三維結(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的靈敏性、穩(wěn)定性，自由的氨基則通過共價鍵與生物分子相結(jié)合。將二酮和胺脫水合成的單體BTP 與葡萄糖氧化酶復合應用在該生物傳感平臺上，并用于飲料中葡萄糖的檢測。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，所設計的含官能團的三維導電聚合物生物傳感器平臺在不添加碳納米管或石墨烯的情況下具有良好的穩(wěn)定性和良好的動力學參數(shù)。

3 結(jié)束語

基于三維結(jié)構(gòu)的導電聚合物具有較大的比表面積、穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)、良好的導電能力和生物相容性，將其應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、檢測極限和重復使用性。通過三維結(jié)構(gòu)控制，導電聚合物功能化處理，與碳納米管或金納米粒子復合，可以賦予三維結(jié)構(gòu)導電聚合物更好的性能。相信隨著三維結(jié)構(gòu)導電聚合物對被檢測抗干擾能力的提高以及生物活性物質(zhì)維持時間的改善，其可廣泛應用于生物醫(yī)藥管理、臨床醫(yī)學診斷、環(huán)境衛(wèi)生檢測和食品安全監(jiān)督等領域。此外，在紡織領域的工業(yè)化應用中，以三維導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等領域中表現(xiàn)出顯著的應用價值。