国家重大科学研究计划项目“生物医学纳米材料对血细胞作用的研究”工作进展与讨论

生物纳米探针对血液恶性肿瘤细胞的体外作用与检测研究

南京大学 朱俊杰 教授


1. 一种基于PDMS基底的柔性电化学传感设备的制作与应用

朱俊杰课题组报道了一种新型的将PDMS柔性高分子基底材料与贵金属(金)相结合的柔性电化学传感设备,该设备在设计和制作上充分考虑到了柔性的需要,因此在发生螺旋,滚动,弯曲等形变的情况下,仍然可以保持相对稳定的电信号响应,而不发生断裂或者破损。 该制作方法是将金通过化学沉积的方法在PDMS膜表面形成一层均匀的金膜,以该金膜作为三电极系统的工作电极和对电极, 再将银浆均匀的涂布在PDMS表面形成参比电极。使用该传感设备对过氧化氢进行了定量检测,同时还通过固定Hb酶到工作电极表面而增强过氧化氢的响应信号。这种基于PDMS材料的电化学传感设备不但提供了一种制作原位检测装置的可能性,同时还因其具有良好的柔韧性而有望应用于各种复杂的环境监测以及作为可植入式探测系统对人体进行实时观测。


Fig.1 Flexible PDMS-based Electrochemical Sensing device.


Fig.2 Cyclic voltammograms of Fe(CN)63-/4- aqueous solution using flexible electrochemical sensing device before and after twisted for 720°, bending at different angles: 90°, 180°. Bending time was 10 min; Scan rate was 0.1 V s-1.


Fig.3 Calibration curve of current response vs. H2O2 concentration.

通过化学沉积法将金沉积到PDMS表面形成一层金膜电极,展示了一种简单的方法来制作可以产生高度形变的柔性便携式电化学传感设备。基底的PDMS膜的厚度及其尺寸大小可以起到调节该设备的机械强度和柔性程度的作用。制备的PDMS柔性电化学传感设备可以在经历巨大形变之后仍然保持基本不变的电信号,而不发生金膜的脱落或者断裂等现象。该设备自身所具备的柔性特质若与微加工技术相结合,有望制作成为可植入体内的传感设备作为“原位检测”的探针,亦可以卷曲收起作为远程调配设备。综上所述,基于PDMS的电化学柔性传感设备具有很大的潜力,有望发展成为一种便携式原位检测设备。

2. 基于热电极体系的竞争型免疫传感器用于人白介素6的检测

通过一步化学还原法合成了聚多巴胺功能化的金纳米粒子,并利用超声方法将其组装到石墨烯表面制备了石墨烯/金胶纳米复合物。该复合物同时具有了石墨烯的高负载特性、金胶的良好生物相容性以及聚多巴胺与蛋白质分子的高结合能力,因此有望成为一种新的生物分子的固定载体。以石墨烯/金胶复合物为传感器的基底,结合量子点功能化的碳纳米管探针作为生物标记物,构建了一种新型的竞争型电化学免疫传感器用于人白介素6的检测。该传感器结合了石墨烯/金胶的高效固载生物分子能力和碳管/量子点探针的多标记信号放大特性,因此具有很高的灵敏度。更重要的是,该研究将丝网印刷热电极引入到免疫传感器的信号测定中去,通过简便的提高电极表面的温度,实现了待测金属离子的快速有效富集,显著增强了电化学信号,从而进一步提高了传感器的灵敏度。该电化学免疫分析方法的检测范围是0.1100 pg mL-1,检测限是0.033 pg mL-1。这种新型的免疫传感器具有较高选择性与稳定性,能够应用于实际血清样品的检测,在临床方面具有一定的应用前景。


Fig.4 Schematic representation of the fabrication and measurement process of the indirect competitive immunosensor.


Fig.5 (A) Dependence of the temperature increase at bare HCPE on the square of heating currents. (B) Cyclic voltammograms of bare HCPE in 0.5 M KCl solution containing 5.0 mM Fe(CN)63-/4- at different temperatures. Scan rate: 100 mV s-1.


Fig.6 (A) ASV of the immunosensor recorded on CPE at room temperature of about 25.0℃ (a), and on HCPE at temperature of 49.0℃ (b). GCE/RGO-AuNPs/IL-6/BSA was incubated with 10 μL of 0.5 mg mL-1 CNTs@QDs-anti-IL-6 for 40 min, and dissolved in HNO3 for 30 min. (B) ASV of the immunosensor recorded on HCPE at 49.0℃ with increasing IL-6 concentration from (a) to (j) (0, 0.033, 0.1, 0.33, 1.0, 3.3, 10, 33, 100, 330 pg mL-1). Inset: ASV of the immunosensor recorded on CPE at 25.0℃ with increasing IL-6 concentration from (a) to (g) (0, 0.5, 1.0, 3.3, 10, 33, and 100 pg mL-1). (C) Corresponding calibration plots using (a) HCPE and (b) CPE as detection substrate. (D) Comparison of serum IL-6 levels determined using electrochemical immunoassay and ELISA method.

以传统的ELISA的测定结果作为参照标准,研究了构建的免疫传感器在临床检验方面的应用前景。我们利用构建的电化学免疫传感器直接测定了5个白血病病人的血清样本中的IL-6的含量,电化学免疫分析方法与ELISA结果之间的相对偏差在-6.4%~7.8%范围内。由此可说明所建立的电化学方法的测定结果与ELISA法的测定结果较为吻合,在临床检验中具有一定的应用前景。

电极的特性应用到免疫分析体系中,构建了一种新型的超灵敏电化学免疫传感器,并将其应用于人IL-6的测定。这种传感器是基于量子点功能化的碳纳米管探针作为生物标记物,以石墨烯/金胶复合物为传感器的基底,利用竞争法免疫后镉离子的溶出伏安峰来进行定量测定的。该传感器结合了石墨烯/金胶的高效固载生物分子能力、碳管/量子点探针的多标记信号放大特性以及热电极体系的热信号放大功能,因此具有很高的灵敏度。这种新型的免疫传感器具有较高选择性与稳定性,而且在测定临床血清样本时,也获得了令人满意的分析结果。我们相信,这种简易、灵敏、低廉的热电极免疫传感器可以拓展到其它蛋白组分的分析领域,在临床免疫的测定中有着很好的发展前景。