生物酶传感器 大连化物所基于酶单分子纳米胶囊技术的生物传感器研究获进展

大连化物所基于酶单分子纳米胶囊技术的生物传感器研究获进展

近日，中国科学院大连化学物理研究所生态环境评价与分析研究组研究员卢宪波、陈吉平团队研发的基于酶单分子纳米胶囊（SMENs）技术的生物传感器取得新进展，酶传感器的热稳定性、有机溶剂耐受性、酸碱耐受性、存储稳定性等核心性能实现质的提高，率先将SMENs技术应用于分析和生物传感领域。

酶生物传感器具有简单、快速、廉价、便携、微型化等优势，在医疗诊断、食品、环境等领域具有广阔应用前景，但其稳定性不高是限制其应用的障碍。酶是蛋白质分子，作为高效的生物反应器具有显著的选择性和特异性。然而，它们对外界环境（温度、溶剂、pH值等）高度敏感，且保质期很短、稳定性不足，限制了其在不同领域的应用，酶生物传感器亦如此。因此，开发在不同工作环境下具有高稳定性的酶生物传感器，提高存储和使用寿命，对于拓宽其在分析、生物医学检测、可穿戴设备、植入式设备等领域的应用十分重要。传统研究中，通常是利用纳米材料的纳米调控效应，通过采取不同的酶分子固定化方式和传感策略（如采用生物相容性无机纳米材料等作为酶分子固载单元），以显著提高酶生物传感器的灵敏度和检出限性能，但这对于提高酶生物传感器的稳定性作用并不显著。

研究团队以高稳定性酶单分子纳米胶囊技术解决了困扰酶传感器发展的稳定性难题，分别以葡萄糖氧化酶（GOx）和酪氨酸酶（Tyr）为模型酶，在水环境中采用简单的室温原位自由基聚合策略，将上述酶的单分子封装在多孔的聚合物壳内，研制出高活性、高稳定性的单分子酶纳米胶囊（SMENs）：葡萄糖氧化酶纳米胶囊（nGOx）和酪氨酸酶纳米胶囊（nTyr）。聚合物外壳有效地稳定了内部的GOx和Tyr核心，同时多孔的网络结构实现了底物的快速运输，从而形成了一类具有突出活性和稳定性的新型生物催化纳米胶囊。聚合物薄层与酶分子之间的多重共价结合增强了被包裹的酶分子稳定性，为其提供了良好的微环境，避免高温和强酸碱条件下的结构变性，有助于在有机溶剂体系操作过程中保留酶活性所必需的水分子。以热稳定性为例，在65℃下孵育2h后，基于天然Tyr的传感器相对活性只剩23.2%，而基于nTyr的传感器相对活性仍可以保持52.7%以上。基于nGOx和nTyr的传感器分别在血糖检测和双酚A检测中展示出良好的性能，且有显著提高的热稳定性、有机溶剂耐受性、酸碱稳定性和长存储寿命。基于新型单分子酶纳米胶囊的生物传感器可适用于多种极端的应用场景，并为提高酶传感器的稳定性提供了解决方案。

该团队致力于提高生物传感器的稳定性、灵敏度、检出限等关键性能和发展重要目标物的实时快速检测方法。相关研究成果发表在《生物传感器和生物电子学》和《分析化学》上。研究工作得到国家自然科学基金项目、大连化物所创新研究基金项目等的资助。

生物活性酶，应用于生物传感器时，如何增强传感器的灵敏度

编辑丨陈沐语 口述丨李菲菲 图片丨网络配图

生物活性酶在生物传感器中的应用及其灵敏度增强策略

随着科学技术的不断发展，生物传感器作为一种能够将生物分子识别和信号转换相结合的装置，已经在医学、环境监测、食品安全等领域得到了广泛的应用。生物活性酶作为生物传感器的重要组成部分，其性能直接影响到传感器的灵敏度和稳定性。本文将对生物活性酶在生物传感器中的应用及其灵敏度增强策略进行详细的介绍。

一、生物活性酶在生物传感器中的应用

1. 酶电极

酶电极是一种将酶固定在电极表面，通过电化学反应将酶催化的生化反应转化为电流或电压信号的生物传感器。酶电极具有选择性好、灵敏度高、响应速度快等优点，广泛应用于葡萄糖、乳酸、尿酸等生物物质的检测。

2. 免疫传感器

免疫传感器是一种利用抗原-抗体特异性结合的原理，将酶标记在抗体上，通过酶催化底物产生可测定的信号的生物传感器。免疫传感器具有高度特异性、灵敏度高、操作简便等优点，广泛应用于蛋白质、激素、病原体等生物物质的检测。

3. 基因传感器

基因传感器是一种利用DNA或RNA的特异性杂交原理，将酶标记在探针上，通过酶催化底物产生可测定的信号的生物传感器。基因传感器具有高度特异性、灵敏度高、操作简便等优点，广泛应用于基因表达、基因突变、病原体检测等研究领域。

二、生物活性酶在生物传感器中的灵敏度增强策略

1. 酶的固定化技术

酶的固定化技术是提高生物传感器灵敏度的关键因素之一。常用的固定化方法有物理吸附法、化学交联法、微胶囊法等。通过优化固定化条件，如酶浓度、固定化剂种类和浓度、固定化时间等，可以提高酶在电极表面的固定效率和稳定性，从而提高传感器的灵敏度。

2. 酶的改性技术

通过对酶进行化学修饰，如引入功能基团、改变酶结构等，可以改变酶的催化性能和稳定性，从而提高传感器的灵敏度。例如，通过引入聚乙二醇（PEG）修饰酶表面，可以提高酶在电极表面的分散性和稳定性；通过引入金属离子或有机小分子，可以调节酶的催化活性和选择性。

3. 底物的选择和优化

选择合适的底物对提高生物传感器的灵敏度至关重要。底物应具有良好的生物相容性、稳定性和可检测性。此外，通过优化底物的浓度、缓冲液条件等参数，可以提高酶催化反应的速度和灵敏度。

4. 信号放大策略

为了提高生物传感器的灵敏度，可以采用信号放大策略，如多级反应、酶串联反应等。多级反应是指将多个酶催化反应串联起来，通过逐级放大信号的方式提高传感器的灵敏度；酶串联反应是指将两个或多个具有不同催化活性的酶串联起来，通过协同作用提高传感器的灵敏度。

5. 新型传感材料的应用

新型传感材料如纳米材料、碳材料等具有高比表面积、良好的导电性和生物相容性等优点，可以有效提高生物传感器的灵敏度。例如，将纳米金或碳纳米管作为酶载体，可以提高酶在电极表面的分散性和稳定性；将石墨烯作为底物载体，可以提高底物的利用率和检测灵敏度。

总之，生物活性酶在生物传感器中的应用具有重要意义。通过优化酶的固定化技术、改性技术、底物选择和优化以及信号放大策略等方法，可以有效提高生物传感器的灵敏度，为其在各个领域的应用提供有力支持。同时，新型传感材料的研究和应用也将为生物传感器的发展带来新的机遇和挑战。

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