阻抗型免疫傳感器的發(fā)展與應用

金　晶，李群芳，張升暉（湖北民族學院化學與環(huán)境工程學院，湖北恩施445000）

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阻抗型免疫傳感器的發(fā)展與應用

金晶，李群芳*，張升暉*
（湖北民族學院化學與環(huán)境工程學院，湖北恩施445000）

摘要：阻抗型免疫傳感器是利用抗原（或抗體）在電極表面發(fā)生特異性結合前后導致電極表面的電化學性質(zhì)發(fā)生改變而實現(xiàn)對抗體（或抗原）進行測定一類新型免疫傳感器，其具有制備簡單、響應時間短和靈敏度高等特點。該文對阻抗型免疫傳感器的工作原理，發(fā)展及現(xiàn)階段的應用進行了綜述，并對未來的發(fā)展趨勢進行了展望。

關鍵詞：阻抗型免疫傳感器；生物分子；分析檢測

0　引言

免疫傳感器是將免疫檢測技術與高靈敏的傳感技術相結合而產(chǎn)生的一類新型生物傳感器。電化學免疫傳感器是免疫傳感器中研究最早、種類最多，也較為成熟的一個分支，它有效結合了各種電分析技術（如脈沖伏安法、溶出伏安法、交流阻抗譜圖法等），使靈敏度得到了大大的提高，在短短幾十年里相繼開辟了種類繁多的研究和應用領域，目前正朝著更加靈敏、高效、微型和適用的方向發(fā)展。其通常是由三部分組成分別為：識別元件、換能器及相應電路，并將電化學的高度靈敏的特性與免疫復合物之間的特異性反應聯(lián)系在一起，從而對目標待測物進行分析，具有制備簡單，響應靈敏，對目標物質(zhì)的檢測速度快的優(yōu)點，且有良好的選擇性和穩(wěn)定性，克服了傳統(tǒng)檢測方法的諸多缺點。隨著免疫傳感器的不斷發(fā)展，免疫傳感器的應用越來越多，類型越來越豐富，根據(jù)檢測所用到的分析技術的不同，按照工作原理可被分為電位型，電流型，電導型，電容型和電阻型，而其中阻抗型免疫傳感器是通過研究電極界面電子傳遞能力的變化來對待測物進行分析的一種檢測手段，不僅具備上述電化學免疫傳感器的共同特性，還具有高通量，無標記的特點［1-7］。該文將對阻抗型免疫傳感器在各領域的應用進行綜述，并對其發(fā)展進行評述。

1　阻抗型免疫傳感器的原理

阻抗型免疫傳感器是采用了交流阻抗法（EIS）通過測定免疫復合物或酶與底物在電極表面發(fā)生特異性的結合或反應而引起電極表面阻抗值的變化值來對目標物進行測定，交流阻抗法是以不同頻率的小幅值正弦電壓為擾動信號，隨著時間的變化所引起電流與微擾信號之間呈現(xiàn)出線性關系而得到電極阻抗，阻抗（Z）的定義為V（t）/I（t）［8］，而把每個動力學的過程都用電化學電池中的組件表示，可以推測電極的等效電路，其中包括電阻，電感和電容，可用于分析電極系統(tǒng)所包含的動力學過程及其機理。而阻抗型免疫傳感器主要是對等效電路中電阻值的檢測，通過交流阻抗譜圖可以直接得到阻抗值，阻抗曲線包含兩個部分：一個半圓部分和一個線性部分。半圓直徑在更高頻率對應的是電荷轉移電阻（Rct），線性部分在較低頻率對應于擴散的過程［9-11］。通常交流阻抗法作為一個強有力的表征手段用于檢測電極制備過程電極表面的電化學性質(zhì)，在對生物小分子及有害物質(zhì)檢測的應用也非常廣泛。

2　阻抗型免疫傳感器的應用

2.1臨床檢測

2.1.1腫瘤標志物的檢測

腫瘤標志物是在1978年由Herberman提出，是反映腫瘤存在的一類化學物質(zhì)，目前發(fā)現(xiàn)的腫瘤標志物有一百多種，而常用的只有二十多種［12］，其在人體內(nèi)的存在與濃度的量變都可能暗示著某種腫瘤的產(chǎn)生，在臨床檢測中常常被用來了解腫瘤組織的細胞分化及細胞功能，而達到對腫瘤進行早期診斷及治療指導。目前免疫傳感器在腫瘤標志物檢測的相關報道有很多，常見的目標檢測物有癌胚抗原（CEA），甲胎蛋白（AFP），前列腺特異性抗原（PSA）等。Tang等［13］合成的尺寸為15±1.5 nm的納米金顆粒表面自組裝單層谷胱甘肽用于固定癌胚抗原的抗體（anti-CEA）并與鄰氨基苯酚通過CV的方法共聚合在電極表面，隨著抗原抗體免疫復合物的形成，CEA濃度在0.5～20 ng/mL時，與阻抗值呈正相關。Zhou等［14］將金電極置于1，6-己二硫醇中，通過Au-s鍵在金電極表面進行組裝，然后置于納米金膠體中使得電極表面生成納米金顆粒，納米金顆?？梢耘c葡萄球菌A蛋白結合，最后用葡萄球菌A來固定anti-CEA，對CEA進行測定，在濃度范圍為0.001～100 ng/mL時，濃度的對數(shù)值與阻抗值成正比，檢測限為達到0.0001 ng/mL。王麗娟等［15］制備的納米金/殼聚糖/石墨烯修飾玻碳電極形成的阻抗型免疫傳感器測定CEA，實驗利用了納米金良好的生物相容性固定抗體以氧化石墨烯良好的導電能力，制得的傳感器具有良好的響應，得到線性范圍為0.1～85 ng/mL。AFP作為肝癌的標志物，一般情況下采用抗體與抗原特異性結合來完成對抗原的檢測，Yang等［16］建立了以麥胚凝集素作為分子識別元件識別AFP，羧基功能化的碳納米管可以與麥胚凝集素以共價鍵的形式在絲網(wǎng)印刷碳電極的表面結合，而隨著AFP的濃度增加，電極的電子轉移電阻增加，并與濃度的對數(shù)值有一個良好的線性，提供了一個檢測AFP的簡單靈敏的新方法。Kavosi等［17］分別用差分脈沖伏安法（DPV）和交流阻抗法（EIS）對PSA進行檢測，同時建立了夾心型電流免疫傳感器和無信標的阻抗型免疫傳感器，并可以應用于對血液中實際樣品的檢測，檢測限分別為10 fg/mL和5 pg/mL。阻抗型免疫傳感器一般情況下會用Fe （CN）63-/4-作為氧化還原介質(zhì)，而Li等［18］用4-氯奈-1-萘酚（4-CN）作為氧化還原介質(zhì)，抗體和DNA酶功能化的金鈀納米復合材料進行結合形成Ab2-AuPd-DNA作為信號放大的標記物，4-CN可以被DNA酶催化氧化形成不溶的物質(zhì)附著在電極表面，從而降低電極傳遞電子的能力，并與PSA的濃度呈正相關。當胃癌、乳腺癌、膀胱癌或頭頸部鱗癌的存在時表皮生長因子受體（EGFR）表達就會急劇增加，Elshafey等［19］在電極表面鍍一層納米金以擴大電極的比表面積，并用蛋白質(zhì)G作為支架用于固定 EGFR抗體，對EGFR進行檢測，并且在PBS中的檢測限為0.34 pg/mL，而在人類血漿中得到的檢測限達到了0.88 pg/mL。Arkan等［20］則是通過制備金納米粒子/多壁碳納米管-離子液體電極對人表皮生長因子受體2進行測定，實驗用納米金來增強電極對抗體的固定能力，電極有一個很好的響應，檢測范圍為10～110 ng/mL，并有一個較低的檢測限7.4 ng/mL。CA125可用作卵巢癌的診斷和預防，Raghav等［21］合成了金核殼銀型的納米材料直接用于固定抗體用于檢測CA125，線性范圍1～150 IU/mL。2.1.2其他疾病標志物的檢測

葡萄糖是人體生命活動不可缺少的物質(zhì)，是人體新陳代謝的主要來源，而當人體內(nèi)胰島素分泌缺陷或胰島素作用有障礙時就會患糖尿病，其為以高血糖為特征的代謝性疾病，而對糖尿病患者來說，血糖是診斷糖尿病的唯一標準。目前葡萄糖的免疫傳感器非常多，Shervedani等［22］利用黃金巰基丙酸在金電極表面進行自組裝，用于固定葡萄糖氧化酶，并用對苯醌作為氧化還原介質(zhì)，其會被還原為鄰苯二酚，利用葡萄糖在電極表面氧化會使得鄰苯二酚的擴散電流增加，而表現(xiàn)出隨葡萄糖濃度的增加會有一個減小的阻抗值，并與阻抗的倒數(shù)值呈良好的線性關系，第一次實現(xiàn)了使用感應電流的阻抗傳感器對葡萄糖進行測定。卵巢基質(zhì)金屬蛋白酶-9（MMP-9）在神經(jīng)炎癥硬化病理過程中起著至關重要的作用，為多發(fā)性硬化癥的外圍神經(jīng)炎癥的生物標志物，Biela等［23］在互相交叉金電極表面自主裝一層半胱氨酸，結合氧化葡聚糖后，在表面滴加肽鏈使其充分的交聯(lián)，然后加入MMP-9使肽鏈鏈斷開，用阻抗法進行監(jiān)測，△Z%隨其濃度增加而增加，得到一個可應用于臨床檢測的線性范圍為50～400 ng/mL。免疫球蛋白G（（IgG）是人體血清中的主要抗體成分，大約占血清蛋白的75%左右，可以對病毒、病菌進行防御，在人體中起到保護作用。其濃度的升高和降低都暗示著一些疾病的發(fā)生，如結締組織病、肝臟病、傳染病、免疫缺陷綜合征，某些白血病等，故對其進行快速靈敏的檢測是很有必要的。目前對IgG檢測的方法有很多種，其中用免疫傳感器對其進行檢測的報道也很多。Zhang等［24］建立了一個簡單的阻抗型免疫傳感器，將一定量的吡啶甲醛與聚環(huán)氧氯丙烷在DMF中混合，并在氬氣的保護下120℃時反應，得到帶有醛基的聚合物，直接滴涂在電極表面與反IgG抗體進行結合，當IgG滴加到電極表面時會使得電極表面?zhèn)鬟f電子能力降低，從而對IgG進行檢測。Tabrizia等［25］則利用了過氧化聚吡咯修飾金納米顆粒對Fe（CN）63-/4-有良好的磁導率，用其修飾絲網(wǎng)印刷電極，用EIS對人免疫球蛋白G進行檢測。人血清（HSA）可以反映肝臟合成功能和腎病造成的蛋白丟失的情況，同時可能暗示著一些疾病的產(chǎn)生，Arkan等［26］首先在離子液體-多壁碳納米管的表面電沉積一層納米金修飾電極，然后納米金膠是通過1，6-己二硫醇上的巰基結合到電極表面用于固定anti-HAS，有HAS存在時電極的阻抗值升高，并與濃度呈良好的線性關系，線性范圍和檢測限分別為0.1～100 μg/mL，15.4 ng/mL，可以用于人類尿液和血清樣本中對HAS的檢測，對蛋白尿和糖尿病患者進行診斷。

2.2病菌的檢測

病菌為引起人類疾病的細菌，寄生于生命體中，病菌按照尺寸的大小可以分為細菌和病毒，細菌長約一微米，病毒是最小的病菌。病菌可以引起很多的傳染病，在病菌發(fā)現(xiàn)初期，中國就出現(xiàn)了天花的相關記錄，而到如今的非典，甲流，禽流感等一些病菌所引起的疾病越來越普遍。所以對病菌的檢測非常重要。Lin等［27］建立了一種簡單靈敏低成本的快速檢測禽流感（Al）H5N1的阻抗型免疫傳感器，分析了雞在一個小時以內(nèi)分泌物中Al H5N1的含量并證明病毒的存在，相應的抗體特定單克隆抗體AI H5N1病毒是由小鼠骨髓瘤細胞融合脾淋巴細胞與H5N1病毒免疫產(chǎn)生，得到的檢測范圍為2-1～24HAU/50 μL，并且電極有很好的抗干擾性。鼠傷寒沙門氏菌是引起急性胃腸炎的主要病原菌，一般通過食品和飲料進入到人體，每年的發(fā)病率也相對較高，Dong等［28］將制備的聚酰胺-多壁碳納米管-殼聚糖納米復合材料用于修飾玻碳電極，結合納米金用于固定鼠傷寒沙門氏菌抗體，用于檢測牛奶中鼠傷寒沙門氏菌的含量，阻抗值與其濃度在1.0×103～1.0×107CFU/mL之間時有一個良好的線性關系，得到檢測限為5.0×102CFU/mL。Nguyen等［29］用磁性二氧化硅納米管（MSNTs）固定抗體和互相交叉微電極建立了對鼠傷寒沙門氏菌進行測定的阻抗型免疫傳感器，MSNTs極大的增加了傳感器的信號使得不同濃度的鼠傷寒沙門氏菌之間的阻抗值有很明顯的差別，整個測量過程大約30 min左右且低成本和方便操作，可用于實際樣品中的檢測。Joung等［30］使用氧化鋁納米多孔膜和透明質(zhì)酸 （HA）有效地減少生物分子和其他細胞的非特異性結合，并能很好的固定抗體，建立了一個簡單的和快速的檢測方法用于牛奶中大腸桿菌的測定?；魜y弧菌可以引起一種烈性腸道傳染病，一般發(fā)病急，死亡率也很高，Tam等［31］以氧化鈰納米線作為點滴材料，通過乙基二甲基胺丙基碳化二亞胺和N-羥基硫代琥珀酰亞胺鈉鹽形成氨基酸酯將O1群霍亂弧菌抗體固定在氧化鈰納米線表面，當加入不同濃度的O1群霍亂弧菌時，電極表面的阻抗值發(fā)生變化，阻抗值與濃度有一個很好的線性關系，得到一個低的檢測限1.0×102CFU/mL。

2.3食品中的應用

日常生活飲食與人類身體的健康是正相關的，而目前隨著生活節(jié)奏的日益增長，速食品越來越多，食品安全問題一直備受關注，人們所接觸到的食品中有很多對人體有害的物質(zhì)，除了上述的病毒病菌會存在于食品中，還有各種霉菌素，農(nóng)殘，添加劑等，這些都會給人體健康帶來傷害，而對這些物質(zhì)快速有效的檢測是很有必要的。黃曲霉毒素B1（AFB1）是一個豐富毒素存在于橄欖及其衍生物中，一直和人類肝細胞癌的病因脫不了干系，Yu等［32］將羧基化切短的碳納米管加入到離子液體中用瑪瑙研缽打磨30 min，離心后取沉淀，并加入抗體，形成了碳納米管/離子液體/抗體滴涂到電極表面，碳納米管良好的導電性能和離子液體能為抗體提供了一個良好的微環(huán)境，二者共同作用提高了電極測定AFB1的靈敏度。檢測范圍為0.1～10 ng/mL，可以用于各種農(nóng)產(chǎn)品和植物油中AFB1的檢測。Dan等［33］應用了還原的氧化石墨烯與聚吡咯 （PPy）和吡咯丙基酸（PPa）結合形成一個獨特的傳感平臺用于檢測AFB1，PPy的加入提供了探針固定共價鏈接器，PPa的摻雜賦予了膜的電化學活性從而大大促進了阻抗型免疫傳感器檢測的靈敏度，實驗得到了一個寬的檢測范圍。呋喃丹是一種氨基甲酸酯類殺蟲劑，主要是通過蔬菜瓜果進入到人體內(nèi)，主要抑制體內(nèi)膽堿酯酶活性，使乙酰膽堿在組織中蓄積而引起中毒。Liu等［34］制備了一種簡單快速檢測呋喃丹的阻抗型免疫傳感器，用L-半胱氨酸修飾電極，戊二醛作為固定抗體的交聯(lián)劑，在優(yōu)化的條件下，阻抗的變化與呋喃丹的濃度的對數(shù)值正相關，所能檢測的濃度范圍為1.0×10-1～1.0×103ng/mL，可應用于監(jiān)測呋喃丹在農(nóng)業(yè)和環(huán)境樣品的殘留。

3　結論與展望

目前阻抗型免疫傳感器的應用已經(jīng)涉及到臨床檢測、細菌病毒檢測、食品環(huán)境、非法藥品［35-36］、氣體［37］等等，這是由于阻抗型免疫傳感器具有小型化，制備簡單，反應靈敏且不需要加入酶標就可以對待測物直接進行檢測，但阻抗型免疫傳感器的靈敏度，檢測范圍和檢測限一般都會比電流型免疫傳感器高很多，導致其應用并沒有電流型免疫傳感器廣泛，故進一步提高阻抗型免疫傳感器的檢測靈敏度一直倍受研究人員的關注。未來在構建阻抗型免疫傳感器將會延續(xù)制備簡單無酶標的特點，致力于研究新的納米材料提高電極傳導電子的能力，提高傳感器的靈敏度，更廣泛的應用于各個領域，同時要考慮傳感器的制備成本，保證低成本，高穩(wěn)定性和使用壽命。相信隨著不斷地發(fā)展阻抗型免疫傳感器的性能會越來越好，并能做到更加高效、更加快速、更加靈敏地應用到各領域的檢測中。

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*通信聯(lián)系人，E-mail:slindar809@126.com，Tel:0718-8437531

Development and application of electrochemical impedance spectroscopy immunosensor

Jin Jing，Li Qun-fang*，Zhang Sheng-hui*
（College of Chemical and Environmental Engineering，Hubei University for Nationalities，Enshi 445000，China）

Abstract:Electrochemical impedance spectroscopy immunosensor was based on the specific binding between biological molecules on the electrode surface to change the electrochemical properties of the electrode，so as to determination of biological molecules，which possesses simple preparation，short response time and high sensitivity characteristics.The working principle，current development and application of the electrochemical impedance spectroscopy immunosensor are summarized in this review，and the latest technological challenges and future development trend is prospected.

Key words:electrochemical impedance spectroscopy immunosensor；biological molecules；analysis detection