近日,大連化物所生態(tài)環(huán)境評價(jià)與分析研究組(103組)盧憲波研究員和陳吉平研究員團(tuán)隊(duì)研發(fā)的基于酶單分子納米膠囊(SMENs)技術(shù)的生物傳感器取得新進(jìn)展,酶傳感器的熱穩(wěn)定性、有機(jī)溶劑耐受性、酸堿耐受性、存儲穩(wěn)定性等核心性能實(shí)現(xiàn)質(zhì)的提高,在國際上率先將SMENs技術(shù)應(yīng)用于分析和生物傳感領(lǐng)域。
酶生物傳感器具有簡單、快速、廉價(jià)、便攜、微型化等優(yōu)勢,在醫(yī)療診斷、食品、環(huán)境等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景,但其穩(wěn)定性不高一直是限制其廣泛應(yīng)用的重要障礙。酶是蛋白質(zhì)分子,作為高效的生物反應(yīng)器具有顯著的選擇性和特異性。然而,它們對外界環(huán)境(溫度、溶劑、pH值等)高度敏感,而且保質(zhì)期很短、穩(wěn)定性不足,因此限制了其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用,酶生物傳感器亦如此。因此,開發(fā)在不同工作環(huán)境下具有高穩(wěn)定性的酶生物傳感器,提其存儲和使用壽命,對于拓寬其在分析、生物醫(yī)學(xué)檢測、可穿戴設(shè)備、植入式設(shè)備等領(lǐng)域的應(yīng)用至關(guān)重要。在傳統(tǒng)的研究中,通常是利用納米材料的納米調(diào)控效應(yīng),通過采取不同的酶分子固定化方式和傳感策略(如采用生物相容性無機(jī)納米材料等作為酶分子固載單元),以顯著提高酶生物傳感器的靈敏度和檢出限性能,但這對于提高酶生物傳感器的穩(wěn)定性作用卻并不顯著。
該團(tuán)隊(duì)近期以高穩(wěn)定性酶單分子納米膠囊技術(shù)解決了長期困擾酶傳感器發(fā)展的穩(wěn)定性難題,分別以葡萄糖氧化酶(GOx)和酪氨酸酶(Tyr)為模型酶,在水環(huán)境中采用簡單的室溫原位自由基聚合策略,將上述酶的單分子封裝在多孔的聚合物殼內(nèi),研制出高活性、高穩(wěn)定性的單分子酶納米膠囊(SMENs):葡萄糖氧化酶納米膠囊(nGOx)和酪氨酸酶納米膠囊(nTyr)。聚合物外殼有效地穩(wěn)定了內(nèi)部的GOx和Tyr核心,同時(shí)多孔的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了底物的快速運(yùn)輸,從而形成了一類具有突出活性和穩(wěn)定性的新型生物催化納米膠囊。聚合物薄層與酶分子之間的多重共價(jià)結(jié)合增強(qiáng)了被包裹的酶分子穩(wěn)定性,為其提供了良好的微環(huán)境,避免了高溫和強(qiáng)酸堿條件下的結(jié)構(gòu)變性,并有助于在有機(jī)溶劑體系操作過程中保留酶活性所必需的水分子。以熱穩(wěn)定性為例,在65 下孵育2 h后,基于天然Tyr的傳感器相對活性只剩23.2%,而基于nTyr的傳感器相對活性仍然可以保持52.7%以上?;趎GOx和nTyr的傳感器分別在血糖檢測和雙酚A檢測中展示了良好的性能,且有著顯著提高的熱穩(wěn)定性、有機(jī)溶劑耐受性、酸堿穩(wěn)定性和長存儲壽命?;谛滦蛦畏肿用讣{米膠囊的生物傳感器可適用于多種極端的應(yīng)用場景,為提高酶傳感器的穩(wěn)定性提供了解決方案。
該團(tuán)隊(duì)近年來一直致力于提高生物傳感器的穩(wěn)定性、靈敏度、檢出限等關(guān)鍵性能和發(fā)展重要目標(biāo)物的實(shí)時(shí)快速檢測方法,在Biosensors & Bioelectronics(2018,107,69-75;2015,65,295-301;2014,62,134-139;2012,35,193-199;2011,26,4040-4045等)、ACS Applied Materials & Interfaces(2016,8,16533-16539)、Carbon(2020,156,568-575)等期刊發(fā)表了一系列相關(guān)論文,并受邀為Chemical Society Reviews(2017,46,6946-7020)、TRAC-Trends in Analytical Chemistry(2018,98,174-189)等撰寫了相關(guān)綜述。
相關(guān)研究成果發(fā)表在《生物傳感器和生物電子學(xué)》(Biosensors & Bioelectronics)和《分析化學(xué)》(Analytical Chemistry)上。以上工作得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、大連化物所創(chuàng)新研究基金項(xiàng)目等資助。