基于酶-金属有机骨架复合物的新型光纤生物传感材料基础研究

Sensing biosensing materials with high property on optical fiber are core part of enzyme-based optical fiber biosensor. Exposing to harsh conditions usually leads to irreversible inactivation of enzymes by traditional enzymes embedding methods. The high price, low embedding efficiency, poor stability and low cyclic utilization rate of enzymes also prevent the development of biosensors. . In order to overcome these problems, a new approach, inspired by natural biomineralization processes, is developed to protect enzymes by encapsulating them in metal-organic frameworks, forming MOF composite (as biosensing layer on optical fiber) based nanocomplex biometric element. Herein, the influence of property of enzymes on the combination with organic linkers is investigated and MOF/enzyme composites are designed. MOF/enzyme composites are assembled on optic fibers and whose properties are verified. The analysts are determined by the optical fiber biosensor, and the effect of biosensing layer on the performance are also explored. . Based on the synthesis of composites and investigation of the relationship between their structures and properties, biosensing materials with high performatnce are developed, which promote development of optical fiber sensing technology on bio-detection field.

研制高性能光纤生物酶传感器的关键技术之一就是研制高性能的传感材料。光纤敏感元件上的特异性生物酶容易受外界环境影响而失去活性，而现有固定酶的方法难以长时间保证生物酶的稳定性。. 本项目针对用作光纤表面生物识别酶价格高、固定率低、稳定性差和循环利用率低的问题，提出制备酶-金属有机骨架复合物作为传感材料，并与光纤结合形成新型纳米复合物生物识别元件。主要研究内容有：研究酶与金属离子、有机配体结合影响规律，设计新型酶-金属有机骨架复合物；揭示酶对复合物结构的影响规律以及复合物对酶催化活性的调控机理；研究复合物与光纤结构的组装方法，探索新型光纤酶传感器的工作机理；将光纤生物传感器用于底物检测，研究复合物对光纤传感器性能影响。. 本项目通过系统研究复合过程，探索传感材料的结构与性能关系，旨在研发高性能传感材料，促进光纤传感技术在生物检测领域的发展。

研制高性能的传感材料是研制高性能光纤生物酶传感器的关键技术。本项目针对用作光纤表面生物识别酶固定率低、稳定性差和循环利用率低的问题，受大自然中的生物矿化过程启发，开展基于酶-金属有机骨架复合物的新型光纤生物传感材料基础研究。主要从以下几方面进行深入的研究。1.设计了多种新型高灵敏度光纤结构：提出了一种基于锥形无包层光纤的折射率（RI）传感器，RI在1.333-1.350范围内时，传感器的RI灵敏度达到686 nm/RIU；提出了一种基于表面等离子体共振的新型双通道光纤传感器，在两个光纤通道上溅射不同厚度的Ag，以产生两个共振波谷形成折射率传感器，通过计算两个凹陷的波长偏移，分别获得1334.56 nm/RIU和1730.88 nm/RIU的RI灵敏度；提出了一种基于偏振保持双折射干涉的生物传感器。2.利用晶体工程与自组装技术制备了多种基于金属有机骨架的酶复合物：利用原位合成法制备了葡萄糖氧化酶（GOx）封装的沸石咪唑基金属有机框架（ZIF-8）复合物；采用原位合成法制备了脲酶（Urease）包埋的ZIF-8复合材料；通过一步乳液技术开发了一种简便的方法来制备由MOF组成的三维胶体。3.开展了基于金属有机骨架复合物包覆的光纤酶生物传感器研究：设计基于ZIF-8/GOx修饰的长周期光纤生物传感器，以实现无标记和选择性的葡萄糖检测，ZIF-8/GOx涂层光纤在1mM至8mM范围内的葡萄糖溶液中显示线性响应，灵敏度约为0.5 nm/mM；将ZIF-8/Urease作为生物识别层应用于锥形单模-无芯-单模（SCS）光纤上，以实现在低浓度水平的无标记尿素检测，所设计的光学生物传感器在1mM至10 mM的低尿素浓度范围内具有约0.8nm/mM的线性响应；设计了一种用稳定、标记的酶功能化光纤传感器检测甘油三酯的新方法，提出的锥形区域直径为7µm的传感器可以精确测量三酰甘油酯，线性范围为0-50 nM，其灵敏度为0.9 nM/nM，LOD为0.23 nM。本项目通过系统研究复合过程，探索传感材料的结构与性能关系，促进光纤传感技术在生物检测领域的发展。