水凝膠傳感器用于裸眼檢測生物指標(biāo)分子

孫旭平

（中科院長春應(yīng)化所電分析國家重點(diǎn)實(shí)驗室，吉林長春130022）

超分子水凝膠可以對多種多樣的外界刺激物做出肉眼可見的響應(yīng)，因此成為最有發(fā)展前景的軟物質(zhì)材料應(yīng)用在生物傳感器、可控藥物釋放以及可再生藥物等領(lǐng)域。最近，日本科學(xué)技術(shù)機(jī)構(gòu)的Hamachi課題組報道了一種基于超分子水凝膠的生物傳感器用于生物指標(biāo)分子的裸眼檢測。該項研究成果發(fā)表于Journal of the American Chemical Society 雜志上[1]。

研究人員制備了一個超分子水凝膠，其內(nèi)部含有的由分子（BPmoc-F3）自組裝形成的纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)會在過氧化氫分子存在時發(fā)生降解，由此引發(fā)的“凝膠-溶膠”相轉(zhuǎn)換是裸眼可見的。通過在水凝膠內(nèi)部構(gòu)建的基于可自行降解的樹枝狀分子網(wǎng)絡(luò)和嵌入的具有特異性的酶組成的信號放大系統(tǒng)，該團(tuán)隊探索了該水凝膠對過氧化氫的實(shí)際檢測效果。該項研究成果的突破之處是在前人工作的基礎(chǔ)上[2-3]改進(jìn)設(shè)計的信號放大系統(tǒng)。該信號放大器中含有苯硼酸和肌氨酸氧化酶。在外界過氧化氫存在下，硼酸基團(tuán)部分會和其反應(yīng)生成肌氨酸，產(chǎn)生雙倍的肌氨酸分子進(jìn)一步被肌氨酸氧化酶氧化生成雙倍的過氧化氫分子，該鏈?zhǔn)椒磻?yīng)起到了信號放大的作用。經(jīng)過該信號放大器得到的放大量的過氧化氫會對形成水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的分子進(jìn)行化學(xué)破壞，從而引發(fā)“凝膠-溶膠”現(xiàn)象。所以，只要被分析物分子可以和酶反應(yīng)生成過氧化氫，就可以通過該水凝膠傳感器實(shí)現(xiàn)對其裸眼檢測，例如葡萄糖和尿酸。含有信號放大系統(tǒng)的水凝膠對過氧化氫的響應(yīng)值為0.16 mmol/L,而不含信號放大系統(tǒng)的水凝膠在0.32 mmol/L過氧化氫存在下仍然無法發(fā)生變化，體現(xiàn)出該信號放大系統(tǒng)在整個傳感器中的重要性。

研究人員還制備了一個陣列芯片并將其使用到人體血漿中的尿酸檢測中，它能在接近可用于監(jiān)測疾病的實(shí)際數(shù)值水平對尿酸進(jìn)行檢測。該傳感器可在復(fù)雜的基質(zhì)例如人體血漿中對生物標(biāo)志分子進(jìn)行檢測的能力是預(yù)示其在臨床診斷中應(yīng)用潛力的一項十分重要的指標(biāo)。

[1]Tatsuyuki Yoshii,Shoji Onogi,Hajime Shigemitsu,et al.Chemically Reactive Supramolecular Hydrogel Coupled with a Signal Amplification System for Enhanced Analyte Sensitivity[J].J.Am.Chem.Soc.,2015,137(9):3360-3365.

[2]Eran Sella,Doron Shabat.Dendritic Chain Reaction[J].J.Am.Chem.Soc.,2009,131(29):9934-9936.

[3]Eran Sella,Ariel Lubelski,Joseph Klafter,et al.Two-Component Dendritic Chain Reactions:Experiment and Theory[J].J.Am.Chem.Soc.,2010,132(11):3945-3952.