基于反胶束固定化酶/纳米复合材料导电结构的电化学生物传感器研究

Due to several combined advantages including excellent selectivity, high sensitivity, operation convenience and suitable for contineous online monitoring and in vivo analysis, electrochemical biosensors are becoming increasingly significant and particularly promising toward clinical medicine, genetic engineering and pharmaceuticals study. However, biosensors encounter poor stability and short lifetime issues which limit their pratical availability. Contraposing the key science problem of biosensor and based on the organically integration of the unparalleled properties of polystyrene/nanomaterial composite membrane and the reverse enzyme micelles immobilized with the polymer of N-(4-Vinylphenyl)maleimide, this project will propose rational design and construction of reverse enzyme micelle /nanomaterial conducting nanocomposite interface. A series of biosensors which exhibit good stability, long lifetime and are suitable for on-line in vivo monitoring will be developed based on the sufficient study of the oxidoreduction electron transfer mechanism of the proposed conducting composite structure and its bioelectrochemical catalysis behavior. The application of the proposed biosensor to the detection of the important physiological active substance will be explored and the performance of the biosensors such as stability, selectivity, sensitivity and so on will be systematically studied. Some of the proposed biosensors will be applied to in vitro detection of biological samples such as cerebrospinal fluid, blood serum and some will be intergrated with microdialysis technology for in vivo monitoring.This study essentially paves a new avenue to developing electrochemical biosensors effectively for in vivo physiological activator measurements, which is envisaged to be of great importance in understanding the molecular basis of physiological and pathological events and actually offers an effective approach to in vivo analysis, which provides both theoretical research significance and practical applicability significance toward the development of biosensors.

电化学生物传感器具有选择性好、灵敏度高、可实现活体分析等优点，对生命科学具有重大意义和应用价值，但由于传感器存在稳定性差和使用寿命短等问题，严重制约了其在实际分析中的应用。本课题针对电化学生物传感器研究中存在的关键科学问题，通过有机结合聚苯乙烯/纳米材料复合膜的独特性质以及4-（乙烯基苯基）马来酰亚胺聚合物反胶束固定化酶，合理设计并构建多功能反胶束固定化酶/纳米材料导电复合结构传感界面，在充分了解所构筑的导电复合结构氧化还原电子转移机理和对于底物分子的界面生物电化学催化行为的基础上，研制一系列稳定性好、使用寿命长、可实现在线活体检测的生物传感器，探索其对重要生理活性物质检测应用，系统研究所研制的生物传感器的稳定性、选择性、灵敏性等性能，并将部分生物传感器应用于生物样品（如：脑脊液、血清等）的离线测定或结合微透析技术的活体在线检测。本课题的研究对生物传感器的发展具有理论研究和实际应用意义。

本项目针对电化学生物传感器研究中存在的修饰方法复杂、重现性差等关键科学问题，通过合理设计多功能固定化酶胶束/纳米材料导电复合结构传感界面结构以及氨化功能化碳材料表面结构，提出并发展了分析性能优良的针对神经化学物质监测的一系列构筑方法简单、稳定性好、可实现活体在线检测及活体原位检测的电化学分析系统的新方法和新技术。本课题提出的电化学传感方法，由于技术简单，易于为生理学家掌握，将对神经科学研究产生深远影响，为电化学活体分析的研究提供新的思路。具体执行情况如下：.1）合理设计了一步法构筑PMS修饰葡萄糖氧化酶胶束/媒介体/纳米材料/聚苯乙烯多功能膜的方法，并据此建立了葡萄糖选择性检测的方法。同时，将电化学多功能膜与活体微透析技术相结合建立了活体检测鼠脑中枢神经系统内葡萄糖的活体在线检测的新方法，实时监测水杨酸钠诱导耳鸣过程中葡萄糖含量的变化。此研究有助于深入理解耳鸣的生理病理过程的化学本质，为耳鸣疾病的发病机理研究提供理论基础。.2）利用电化学氨化功能化碳纤维微电极（ACFM）作为传感元件，实现了电刺激过程中鼠脑抗坏血酸（AA）的活体原位检测，为脑功能研究提供了有效的方法。ACFM显著降低了AA的过电位（-0.05 V），构成了AA的选择性检测的基础。同时，ACFM保持了微小的尺寸，十分适合在鼠脑这样有限的微小区域进行活体原位检测。通过XPS、SEM、CV等技术手段的研究，得出了苯胺型氮为功能基团的重要结论，为氨化碳材料的拓展应用提供了理论依据。由于技术简单、性能稳健，该氨化碳纤维策略提供了实时动态监测神经化学物质以及探索脑生理功能的普适方法。.3）合理设计了氨基功能化多功能界面，并基于此界面建立了苯二酚同系物同时检测以及生理活性小分子抗坏血酸、多巴胺和尿酸同时检测的电化学分析方法。研究结果表明氨化界面结构对苯二酚同系物具有不同的电催化作用，对对苯二酚的电催化作用最强。此外，氨化玻碳电极表面对抗坏血酸具有优异的电催化性能，解决了抗坏血酸、多巴胺、尿酸同时检测时阳极峰解析的难题，成功实现了尿样和血样生物样品的分析应用。.4）基于氨化功能界面对无机物亚硝酸也表现出的电催化性能，将氨化功能化玻碳电极表面用于亚硝酸的电化学传感，获得了超高了灵敏度。该方法具有操作简单、方法简便、易于在线检测的优点，对实际样品水样的分析结果也获得了满意的回收率。