基于可控/“活性”自由基聚合技术的高灵敏电化学生物传感研究

纳米材料技术 生物传感技术
秦川    2021-01-27    629

  背景介绍

  核酸和蛋白质等生物分子的简便、快速、低成本、高灵敏和高选择性检测,一直是生物传感和生物分析领域的一个重要的研究热点,在环境监测、生化战剂侦检、食品安全、发酵工业、生物医学研究以及临床诊断等领域有着广泛的应用。为满足微量甚至痕量生物分子的检测需求,迄今为止,研究人员已经探索建立了一系列信号放大策略,使得检测灵敏度获得了极大的提高。然而,传统的基于酶或纳米材料的信号放大策略,存在操作复杂、成本高昂或稳定性差等不足。

  为克服上述缺陷,近年来,广州大学分析科学技术研究中心牛利教授课题组在国家自然科学基金青年科学基金项目(21904026)和中国博士后科学基金第64批面上资助(2018M643040)等的资助下,已经成功探索建立了一类基于电化学调控原子转移自由基聚合(eATRP)和电化学调控可逆加成-断裂链转移(eRAFT)聚合等可控/“活性”自由基聚合(CLRP)技术的新型信号放大策略,并实现了对核酸和蛋白质等生物分子的简便、快速、低成本、高灵敏、高选择性电化学检测。相关研究成果已发表于Anal. Chem., 2018, 90, 12207-12213、Anal. Chem., 2019, 91, 1936-1943、ACS Sens., 2019, 4, 235-241、Talanta, 2020, 206, 120173(高被引)、Anal. Chem., 2020, 92, 3470-3476、Biosens. Bioelectron., 2020, 165, 112358、J. Mater. Chem. B, 2020, 8, 3327-3340、Anal. Chem. 2020, 92, 15982-15988、Biosens. Bioelectron., 2021, 113010和化工进展, 2021, DOI: 10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1289上,论文的第一作者均为胡琼博士(副教授)。

  基于CLRP技术的信号放大策略原理介绍

  通过eATRP和eRAFT聚合等CLRP技术,可以在基底表面原位可控从头接枝大量的聚合物。由于聚合物链可由成千上万个单体构成,通过引入聚合物,因而可以在基底表面引入大量的信号探针(如二茂铁(Fc)等)或者大量可供后续修饰信号探针的官能团(如氨基、羧基、醛基等),从而实现对检测信号进行放大的目的。

  例如,胡琼博士等以底物肽作为固定化分子识别元件,分别以α-溴苯乙酸(BPAA)和甲基丙烯酸二茂铁基甲酯(FcMMA)作为ATRP引发剂和单体,借助于ATRP的信号放大作用,实现了对前列腺特异性抗原(PSA)浓度的简便、快速、低成本、高灵敏、高选择性电化学检测,检测限(LOD)为3.2 fM(~0.109 pg/mL)(Anal. Chem. 2020, 92, 15982-15988)。

  检测原理如下图所示:

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  此外,胡琼博士等以底物肽作为固定化分子识别元件,分别以4-氰基-4-(硫代苯甲酰)戊酸(CPAD)和FcMMA作为链转移剂(CTAs)和单体,借助于eRAFT聚合的信号放大作用,实现了对基质金属蛋白酶(MMPs)活性的简便、快速、低成本、高灵敏、高选择性电化学检测,LOD和定量限(LOQ)分别为0.27 pg/mL和0.9 pg/mL(Biosens. Bioelectron., 2021, 113010)。

  检测原理如下图所示:

图片.png

  小结

  由于无需使用酶或纳米材料,基于CLRP技术的信号放大策略具有操作简便、成本低廉和高效等优良特性,在生物分子的高灵敏检测中将具有广阔的应用前景。

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