CN103235020A

CN103235020A - 一种界面自组装固定生物分子制备生物电极的方法

Info

Publication number: CN103235020A
Application number: CN2013101110269A
Authority: CN
Inventors: 薛怀国; 徐嘉琪; 王阳娟; 成国兴; 瞿晓颖
Original assignee: Yangzhou University
Current assignee: Yangzhou University
Priority date: 2013-04-02
Filing date: 2013-04-02
Publication date: 2013-08-07

Abstract

一种界面自组装固定生物分子制备生物电极的方法，涉及生物电极制备技术领域，将两亲型嵌段共聚物溶于溶剂中配成溶液，再将溶液涂于载有半干蛋白质水溶液的电极表面，然后置于恒温恒湿箱中，待溶剂和水挥发后即可制得生物电极。采用本发明方法制备出传感器灵敏度高、稳定性好、选择渗透性好，适用性广、制作简单，蛋白质分子和载体材料用量小。用同一固定材料可制备不同功能的生物传感器，适合多种物质的检测，在医学、食品、环境等领域运用广泛，具有较高的经济效益。

Description

一种界面自组装固定生物分子制备生物电极的方法

技术领域

本发明涉及生物电极制备技术领域，属于以两亲高分子为载体采用一种界面自组装固定生物分子来制备生物电极的方法。

背景技术

生物传感器在诊断、监测、分析等方面应用广泛。它利用的是生物活性物质的亲和性，如酶-底物，酶-辅基，抗原-抗体，激素-受体等的分子识别功能，可以有选择地测量另一方，这种敏感元件又称分子识别元件，其中分子识别部分是生物传感器的核心。蛋白质分子在生物体中大量存在，如大部分酶、部分激素、抗体、部分抗原、细胞色素C、血红蛋白和肌红蛋白、干扰素等。而生物活性分子的固定化是生物传感器中敏感元件制备的关键步骤，因此针对蛋白质的固定方法的研究受到了高度重视。

现有适用蛋白质分子的固定方法主要有吸附、交联、共价键合、包埋等，固定材料有无机材料、高分子材料等，各种方法优缺点不一。以生物电极为敏感元件的生物传感器是以电信号的传导来实现传感功能的，其中生物电极的制备为此类生物传感器的关键。因此寻找新的酶固定方法和载体材料来提高生物传感器测量的准确度、灵敏度、稳定性选择性等是科研工作者的主要目标之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种灵敏度高、稳定性好、选择渗透性好的一种界面自组装固定生物分子制备生物电极的方法

本发明的技术方案是：将两亲型嵌段共聚物溶于溶剂中配成溶液，再将溶液涂于载有半干蛋白质水溶液的电极表面，然后置于恒温恒湿箱中，待溶剂和水挥发；所述两亲型嵌段共聚物的分子量为5000～500000；所述两亲型嵌段共聚物中的亲水段中含有可以在水溶液中电离或水解并带有电荷的基团；所述两亲型嵌段共聚物中的疏水链段为在水溶液中不易降解的疏水性聚合物链段；所述溶剂为易挥发且与水不互溶的有机溶剂。

由于两亲型嵌段共聚物的分子量必须达到一定值，否则自组装得驱动力不够，因此本发明采用分子量为5000～500000。由于两亲型嵌段共聚物的亲水段中含有可以在水溶液中电离或水解并带有电荷的基团，而蛋白质为两性物质，其所带电荷可以通过水溶液的pH值来调节，这样就可以使其与带有电荷的两亲型嵌段共聚物发生静电吸附。因此其对蛋白质分子的吸附能力可以大大提升。并且在高湿度的环境下，随着铸膜液中的有机溶剂挥发，表面温度急剧下降，高湿度氛围中的水蒸气大量冷凝电极表面。聚合物在亲水/ 疏水的平衡作用下凝结在水滴表面，随着挥发完毕，温度回升，电极表面就自组装形成了六角形的花样。而粗糙表面利于蛋白的附着，而大小可控的孔径也可使得电极的响应具有更高的选择性。因此用该界面自组装法可构筑性能优良的生物活性膜和高稳定、高灵敏度、高选择性的生物传感器。

采用本发明方法制备出传感器灵敏度高、稳定性好、选择渗透性好，适用性广、制作简单，蛋白质分子和载体材料用量小，所以投入市场的可能性较大。用同一固定材料可制备不同功能的生物传感器，适合多种物质的检测，在医学、食品、环境等领域运用广泛，具有较高的经济效益。

另外，本发明所述带有电荷的基团为氨基、羧基、磺酸基或吡啶基，两亲型嵌段共聚物的疏水链段为在水溶液中不易降解的疏水性聚合物链段。优选的两亲型嵌段共聚物为聚苯乙烯嵌段聚四乙烯基吡啶、聚苯乙烯嵌段聚丙烯酸；所述溶剂为易挥发且与水不互溶的有机溶剂，优选的溶剂为甲苯、氯仿、四氢呋喃。

本发明所述溶液中，两亲型嵌段共聚物占溶液质量的0.5%～0.01%。否则无规线团易互相缠结，构象转换势垒过大，自组装难以进行。

本发明所述恒温恒湿箱内的温度为10～40℃，湿度为50～90%RH。

本发明所述蛋白质分子包括大部分酶、部分激素、抗体、部分抗原、细胞色素C、血红蛋白和肌红蛋白、干扰素等。如，可以为葡萄糖氧化酶、黄嘌呤氧化酶、多酚氧化酶、酪氨酸酶、半乳糖氧化酶、脲酸酶、过氧化物酶、胆碱氧化酶、乙酰胆碱脂酶、谷氨酸氧化酶、胆固醇氧化酶、丙酮酸氧化酶、抗坏血酸氧化酶、肌氨酸氧化酶、乙醇脱氢酶、乙醇氧化酶、乳酸脱氢酶、乳酸氧化酶、超氧化物歧化酶、脲酶、赖氨酸氧化酶、亚硫酸盐氧化酶、漆酶、脂肪酶、异柠檬酸脱氢酶、血红蛋白、肌红蛋白、白蛋白等中的任意一种。

具体实施方法

实施例1：采用聚苯乙烯嵌段聚四乙烯基吡啶（PS-b-P4VP）制备葡萄糖氧化酶传感器——自组装形成PS-b-P4VP/GOD生物电极。

1、采用聚苯乙烯嵌段聚四乙烯基吡啶（PS-b-P4VP）两亲型聚合物与氯仿配制成浓度为0.5～0.01%的溶液。

2、将葡萄糖氧化酶与水配成5～0.1mg/ml的蛋白质分子水溶液。

3、将葡萄糖氧化酶水溶液滴涂于电极上，待溶剂蒸发至快干后，再滴涂两亲型嵌段共聚物的氯仿溶液。

4、滴涂结束后，立即将电极置于温度为20℃，湿度为80%RH的恒温恒湿箱中。

5、待溶剂和水挥发，形成干燥表面，即制得上述生物电极，再将生物电极放在冰箱中冷藏，待用。

本例中，葡萄糖氧化酶的用量为8μg、聚合物的体积为10μL。

传感器使用的最佳条件是：测量温度25℃、工作电位是+0.60V、溶液pH为6.5。固定化葡萄糖氧化酶的酶催化反应的表观活化能是28.3 kJ/mol，响应时间是小于5S。该生物传感器对葡萄糖表现出快速的生物电化学响应特性、比较宽广的线性检测范围 (0.3μM～10mM)。

实施例2：以与实施例1类同的方法，采用聚苯乙烯嵌段聚四乙烯基吡啶（PS-b-P4VP）固定血红蛋白Hb——PS-b-P4VP/Hb生物电极。

该生物电极的表层为规则有序的多孔结构，内层为定向排列的血红蛋白分子。表层多孔结构使该膜具有很好的渗透性，而内层血红蛋白分子的高定向性有利于实现它与电极之间的直接电子传递。组装在电极表面的血红蛋白电化学反应过程为薄层控制电化学程，该过程在转移一个电子的同时，还伴随着一个质子的转移。实验发现，该仿生膜电极可催化还原双氧水，为今后制作和优化传感器提供了另一个选择。

实施例3：以与实施例1类同的方法，采用聚苯乙烯嵌段聚丙烯酸（PS-b-PAA）制备葡萄糖传感器——PS-b-PAA/GOD生物电极。

其中，葡萄糖氧化酶的用量为8μg、聚合物的体积为10μL、浓度为0.5%、恒温恒湿箱中成膜温度25℃、湿度80%RH。

制成的传感器使用的最佳条件是：测量温度25℃、工作电位是+0.60V、溶液pH为6.5。固定化葡萄糖氧化酶的酶催化反应的表观活化能是24.12 kJ/mol。该生物传感器对葡萄糖表现出快速的生物电化学响应特性、比较宽广的线性检测范围 (0.1μM～10mM)。该电极看坏血酸的干扰为8%，对-乙酰氨基酚为1%，L-半胱氨酸为1%，谷胱甘肽为4%。

实施例4：以与实施例1类同的方法，采用聚苯乙烯嵌段聚丙烯酸（PS-b-PAA）制备酚传感器——PS-b-PAA/PPO生物电极。

其中，多酚氧化酶（PPO）的用量为10μg、聚合物的体积为8μL、浓度为0.5%、恒温恒湿箱中温度25℃、湿度80%RH。

制成传感器使用的最佳条件是：测量温度25℃、工作电位是-0.20V、溶液pH为6.0。酶催化反应的表观活化能是15.12 kJ/mol。该生物传感器对葡萄糖表现出快速的生物电化学响应特性、比较宽广的线性检测范围 (0.09μM～0.02mM)。

实施例5：以与实施例1类同的方法，采用聚苯乙烯嵌段聚丙烯酸（PS-b-PAA）固定血红蛋白——PS-b-PAA/ Hb生物电极

先将PS-b-PAA配制成浓度为0.05%的氯仿溶液，再将μL 1mg/ml的Hb滴于处理过的玻碳电极上，20min后滴上7μL 0.05%的PS-b-PAA氯仿溶液。立即放入温度25℃湿度80% R.H.的恒温恒湿箱中，1～2h后取出，制得PS-b-PAA/Hb传感器。该电极对双氧水的线性检测范围为19.680μM～1 mM。K′m为1.595mM。

采用同样的方法可分别将各种蛋白质分子固定，包括大部分酶、部分激素、抗体、部分抗原、细胞色素C、血红蛋白和肌红蛋白、干扰素等。如，黄嘌呤氧化酶、酪氨酸酶、半乳糖氧化酶、脲酸酶、过氧化物酶、胆碱氧化酶、乙酰胆碱脂酶、谷氨酸氧化酶、胆固醇氧化酶、丙酮酸氧化酶、抗坏血酸氧化酶、肌氨酸氧化酶、乙醇脱氢酶、乙醇氧化酶、乳酸脱氢酶、乳酸氧化酶、超氧化物歧化酶、脲酶、赖氨酸氧化酶、亚硫酸盐氧化酶、漆酶、脂肪酶、异柠檬酸脱氢酶、肌红蛋白、白蛋白等。可制备得到不同类型的生物电极，实现响应底物的电化学检测。

Claims

1.一种界面自组装固定生物分子制备生物电极的方法，其特征在于将两亲型嵌段共聚物溶于溶剂中配成溶液，再将溶液涂于载有半干蛋白质水溶液的电极表面，然后置于恒温恒湿箱中，待溶剂和水挥发；所述两亲型嵌段共聚物的分子量为5000～500000；所述两亲型嵌段共聚物中的亲水段中含有可以在水溶液中电离或水解并带有电荷的基团；所述两亲型嵌段共聚物中的疏水链段为在水溶液中不易降解的疏水性聚合物链段；所述溶剂为易挥发且与水不互溶的有机溶剂。

2. 根据权利要求1所述界面自组装固定生物分子制备生物电极的方法，其特征在于所述带有电荷的基团为氨基、羧基、磺酸基或吡啶基。

3.根据权利要求1所述界面自组装固定生物分子制备生物电极的方法，其特征在于所述两亲型嵌段共聚物为聚苯乙烯嵌段聚四乙烯基吡啶，或者为聚苯乙烯嵌段聚丙烯酸。

4. 根据权利要求1所述界面自组装固定生物分子的制备方法，其特征在于所述溶剂为甲苯或氯仿。

5. 根据权利要求1所述界面自组装固定生物分子制备生物电极的方法，其特征在于所述溶液中，两亲型嵌段共聚物占溶液质量的0.5%～0.01%。

6.根据权利要求1所述界面自组装固定生物分子制备生物电极的方法，其特征在于所述恒温恒湿箱内的温度为10～40℃，湿度为50～90%RH。

7.根据权利要求1所述界面自组装固定生物分子制备生物电极的方法，其特征在于所述蛋白质分子为葡萄糖氧化酶、黄嘌呤氧化酶、多酚氧化酶、酪氨酸酶、半乳糖氧化酶、脲酸酶、过氧化物酶、胆碱氧化酶、乙酰胆碱脂酶、谷氨酸氧化酶、胆固醇氧化酶、丙酮酸氧化酶、抗坏血酸氧化酶、肌氨酸氧化酶、乙醇脱氢酶、乙醇氧化酶、乳酸脱氢酶、乳酸氧化酶、超氧化物歧化酶、脲酶、赖氨酸氧化酶、亚硫酸盐氧化酶、漆酶、脂肪酶、异柠檬酸脱氢酶、血红蛋白、肌红蛋白、白蛋白等中的任意一种。