三維導(dǎo)電聚合物生物傳感器的研究進(jìn)展

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技術(shù)在生物醫(yī)藥、環(huán)境監(jiān)測、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)與待檢測物通過接觸產(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)生的信號轉(zhuǎn)換成電信號，數(shù)字分析系統(tǒng)再對電信號進(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(dǎo)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(dǎo)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(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)電聚合物最為簡單，可通過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、專一性強(qiáng)、檢測限低、選擇性好、操作簡單等優(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(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(dǎo)電聚合物與無機(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(xué)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(xué)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(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(fù)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(xué)阻抗譜法測定顯示基于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(xì)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(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)境中的待檢測作為啟動(dòng)子元件，特異性受體（酶、抗體等）對其進(jìn)行識別，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)被檢測物與細(xì)胞之間的反應(yīng)程度，其特點(diǎn)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(fù)合材料，然后以三維多孔rGO?PPy 復(fù)合材料為載體，通過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)測定，對還原鐵氰化物測定間接表達(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檢測尿液、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(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，對被檢測樣品不需要進(jìn)行任何預(yù)處理。

2.5 H2O2生物傳感器

H2O2俗稱雙氧水，具有氧化性，是細(xì)胞代謝生理過程產(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(xì)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(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(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，該平臺具有較高的電活性和良好的電子運(yùn)輸性能，儲存60 天后其電流響應(yīng)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(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 無標(biāo)記生物傳感平臺

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(shè)計(jì)適合多種不同生物分子的生物傳感器平臺。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，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(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的靈敏性、穩(wěn)定性，自由的氨基則通過共價(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(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

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、檢測極限和重復(fù)使用性。通過三維結(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)電聚合物對被檢測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等領(lǐng)域中表現(xiàn)出顯著的應(yīng)用價(jià)值。