基于多元杂化生物纳米层状复合材料的细胞活性氧传感器研究

Intercalation of biomolecules into layered inorganic compound is an efficient method for the construction of mediator-free electrochemical biosensors. However, the bioactivity preservation of encapsulated biomolecules has not been ensured when intercalating single kind of guest alone. Herein, we will construct novel bio-nanocomposites with the multi-hybrid structure, by co-intercalating different kinds of biomolecule into layered zirconium phosphonate or organoclay through the exfoliation-reassembly or co-precipitation assembly procedure.Because the synergistic effect of co-intercalated guest in the multi-hybrid biocomposite, the inerlayer space of layered host could be adjusted to facilitate the bioactive molecule intercalated completely,then,the helical formation of bioactive molecule will be preserved and the bioactivity could be enhanced significantly.Further more, the direct electron transfer of intercalated bioactive molecules could also be improved, attributing to the inherent ability to facilitate charge transplant provided by these co-intercalated DNA or chitosan. These multi-hybrid biocomposite will be applied in the fabrication of novel mediator-free electrochemical biosensors for the reactive oxygen detection of cell in vitro,helping the diagnostication of cancer, neurodegeneration and aging. Moreover, the antioxidant effect of pharmaceutical could also be evaluated via the quantitative detection of reactive oxygen species released from cell.

生物分子与无机层状材料的插层组装是构建非媒介体电化学传感器的有效手段之一，但所嵌插的生物分子活性保持缺乏规律性。本项目拟在层状磷酸锆、蒙脱石有机功能化修饰的基础上，采用多组分共插层组装手段，实现两种生物分子同时与无机（杂化）纳米层片的相互结合，设计构筑具有多元杂化结构特征的层状生物纳米复合物，应用于高性能活性氧电化学传感器的构建。通过有机功能化修饰，对无机层状主体的电荷性质、电荷密度及亲疏水性质进行调控；通过共嵌插多组分的相互协同机制，对夹层间生物活性分子的空间排布进行调控，从而提高复合物的生物活性及直接电化学性能。以此类功能性生物纳米复合物薄膜为界面，构建具有直接电子传递特征、灵敏度高、响应范围宽、选择性好的电化学传感器，从而实现细胞外活性氧的实时检测，并建立各类常见抗氧化药物与细胞作用效果的评价新方法，为癌症、神经功能退化、机体衰老的医学诊断提供参考依据。

制约第三代生物电化学传感器性能的关键因素主要有两点，一是电活性生物分子与基底电极之间的直接电子传递，二是固定在基底电极表面生物分子的催化活性保持能力。虽然像其它纳米材料一样，层状无机化合物经过分散剥离后得到的纳米层片，能够用于固载生物分子并促进直接电化学，但是，不太合适的层间距及主客体相互作用力大小往往严重制约生物分子活性的保持。为此，本课题组采用两种方法试图解决以上问题并取得较好效果。.一是利用共插层组装技术，将葡萄糖氧化酶（GOD）与壳聚糖（Chitosan），共同插入到层状α-磷酸锆（α-ZrP）层间，制备“GOD/Chitosan/α-ZrP”三元复合材料；将血红蛋白（Hb）与核酸（DNA），共同插入到双金属氢氧化物（LDH）层间，制备“Hb/DNA/LDH”三元复合材料；结果表明，双组分插层不仅能够实现快速的直接电化学，而且比单组分插层得到的催化活性显著改善，由这些复合物构建的修饰电极能够直接用于血清中血糖含量分析及过氧化氢的检测。.二是采用功能化修饰方法，引入氨基乙氧基、羧乙基、羧丙基、氨丙基、巯丙基等，合成了具有“有机无机杂化”性质的层状膦酸锆（ZrRP）、镁硅酸（AMP、MMP）化合物。这些具有有机基团的层状化合物电荷性质发生了变化，与生物分子结合特性也发生了变化，使得核酸（DNA）等可直接插入，从而制备了一系列的“DNA/ZrRP”、“GOD/ZrRP”、“GOD/AMP”、“GOD/MMP”、“Cyt-c/AMP”、“Cyt-c/MMP”二元复合材料；它们或者实现了核酸的可逆固定释放，或者用于构建第三代电化学传感器，建立了检测血清中葡萄糖、过氧化氢及亚硝酸盐的灵敏分析方法、实现了对红茶绿茶饮料实际样品的抗氧化性能比较分析。.本项目的研究结果受到了同行的较大关注，为生物纳米材料及电化学传感器的研究提供了一些新的思路，其中部分发表论文被较多引用。