CN110806438A - 基于水凝胶保护的电化学适配体生物传感器及其制备方法、应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一类基于水凝胶保护的电化学适配体生物传感器，所述电化学适配体生物传感器通过在电极的表面均匀覆盖水凝胶制得。本发明还提供了所述电化学适配体生物传感器的制备方法，包括以下步骤：配制水凝胶溶液，将电极浸入水凝胶溶液中，保持一段时间后取出，重复操作，然后将电极迅速冻入液氮中，取出即得到电化学适配体生物传感器。本发明提供的电化学适配体生物传感器通过在检测电极的表面均匀覆盖水凝胶，在进行体内血药浓度检测时，小分子可透过水凝胶，大分子不能透过水凝胶，能够有效阻止血红蛋白的干扰，提高电极稳定性，进一步实现体内血药浓度的准确检测。
Description
技术领域
本发明涉及药物检测技术领域，尤其涉及一类基于水凝胶保护的电化学适配体生物传感器及其制备方法、应用。
背景技术
健康是人类发展永恒的主题，尤其自21世纪以来，全世界对人类健康以及疾病的治疗进入了一个全新的阶段，从传统的医疗模式逐渐发展为“精准医疗”以及个性化医疗服务模式。精准医疗是指一种将个人基因、环境与生活习惯差异考虑在内的、针对个体差异性而制定的疾病预防与治疗的新兴医疗模式。
临床上，精准医疗、个性化医疗服务需要针对病人个体的差异性提供诊断和治疗服务。例如医生在临床上对病人进行给药时，剂量过大会产生副作用，而剂量不够则会达不到治疗效果，患同一种病的病人由于个体化差异，最有效的治疗浓度也具有一定差异性。因此，精准医疗在这一方面的具体表现就在于针对病人的个体差异性选择各自最优化的剂量以及给药频率，以保证病人体内的药物浓度始终保持在药效窗口，以达到最佳的治疗效果。针对这一需求，首先需要实现的目标是如何设计和开发一种行之有效的技术，能够对血液样本乃至生物活体内血液中的药物浓度进行精准、快速、实时地检测，为给药的剂量和频率提供技术指导。
由于具有快速检测、信号灵敏度高以及对复杂样品直接检测无须预处理等优势，基于核酸适配体的电化学生物传感器为血液样本或生物体内进行药物的实时检测提供了良好的平台。这类平台的检测原理：利用DNA适配体与靶标物质结合的高选择性，将DNA一端通过金硫键(Au-S)组装到金电极表面，而另一端则共价修饰上氧化还原探针分子，这一探针分子能够输出电信号。当适配体与靶标物质结合时，由于电荷转移速率的变化，这一电信号也随之发生改变。这一原理使得这一平台能够实现快速、高选择性、高灵敏度的检测。
然而，基于核酸适配体的电化学生物传感器这一检测平台在全血样本或体内复杂环境中实时、原位检测仍然面临着较大的挑战：1)容易发生基线漂移现象，从而导致测试输出的信号稳定性能差，因此容易出现假阴性或假阳性的测试结果；2)在体内的生物相容性有待提高。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一类基于水凝胶保护的电化学适配体生物传感器，本发明通过在测试电极的表面包裹上一层水凝胶，能够降低血液样本中复杂大分子(如血红蛋白、蛋白质等)对电极表面的非特异性吸附，从而提高测试信号的稳定性能，另一方面，通过引入水凝胶，同时达到减少电极器件与体内组织间的摩擦以及提高器件的生物相容性的目的。
本发明提供一类基于水凝胶保护的电化学适配体生物传感器，所述电化学适配体生物传感器通过在电极的表面均匀覆盖水凝胶制得。
本发明还提供了上述基于水凝胶保护的电化学适配体生物传感器的制备方法，包括以下步骤：配制水凝胶溶液，将电极浸入水凝胶溶液中，保持一段时间后取出，重复操作，然后将电极迅速冻入液氮中，取出即得到电化学适配体生物传感器。
进一步地，所述水凝胶溶液的质量百分浓度为0.5％～3％。
进一步地，所述液氮的温度为-78℃。
进一步地，所述水凝胶溶液选用琼脂糖水凝胶。
本发明还提供了上述基于水凝胶保护的电化学适配体生物传感器或利用上述制备方法制得的基于水凝胶保护的电化学适配体生物传感器的应用，所述电化学适配体生物传感器能够用于体内血药浓度的实时检测。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：本发明提供的电化学适配体生物传感器通过在检测电极的表面均匀覆盖水凝胶，在进行体内血药浓度检测时，小分子可透过水凝胶，大分子不能透过水凝胶，能够有效阻止血红蛋白的干扰，提高电极稳定性，进一步实现体内血药浓度的准确检测。
附图说明
图1是本发明实施例1不同浓度的琼脂糖水凝胶的性能表征。
图2是本发明实施例1制得的电化学适配体生物传感器的扫描电子显微镜图。
图3是本发明实施例1制得的电化学适配体生物传感器在血液中的稳定性测试。
图4是本发明实施例1制得的电化学适配体生物传感器对抗脱氧核糖核酸酶降解的测试结果。
图5是本发明实施例1制得的电化学适配体生物传感器植入大鼠体内对药物浓度的实时监控。
图6是本发明实施例1制得的电化学适配体生物传感器对注射药物的实时监控。
图7是同时将三个本发明实施例1制得的电化学适配体生物传感器植入大鼠体内后对药物的实时监控。
图8是大鼠体内(血管和肌肉内)植入实施例1制得的电化学适配体生物传感器后对大鼠免疫系统的影响研究图。
图9是大鼠体内(血管和肌肉内)植入实施例1制得的电化学适配体生物传感器后的大鼠细胞切片图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
实施例1：
将琼脂糖分别配成质量百分浓度为0.1％、0.25％、0.5％、1％、3％浓度的水溶液，配好的琼脂糖水凝胶的状态图见图1，图1A中从左至右依次为0.1％、0.25％、0.5％、1％、3％浓度的琼脂糖水凝胶，从机械强度和稳定性能两方面考察，0.5％～3％这一浓度区间的水凝胶较优，0.1％浓度无法形成稳定的水凝胶；图1B为向形成的琼脂糖水凝胶上小心缓慢加入0.1mL血液，可以看出，0.5％～3％这一浓度区间的水凝胶较优，血液渗透小；
将制备好的电极分别浸入质量百分浓度为0.5％、1％、3％浓度的琼脂糖水凝胶中，保持2秒后迅速取出，此操作重复3次，然后将电极迅速冻入-78℃的液氮中，取出即得到电化学适配体生物传感器。
采用扫描电子显微镜观察利用质量百分浓度为1％的琼脂糖水凝胶制得的电化学适配体生物传感器，结果如图2A和图2B所示，从图2A和图2B可以看出，凝胶均匀覆盖在电极的表面，拨开下端电极部分的凝胶，通过元素分析，可以看出，表面的材料组成主要是C和O元素，而中间的材料为金电极，进一步证实了电极表面很好地包裹了凝胶材料。
对利用质量百分浓度为1％的琼脂糖水凝胶制得的电化学适配体生物传感器进行血液持续测试，结果如图3所示，图3中，Gel表示带凝胶保护的电极，No Gel表示不带保护的裸电极，测试结果表明，卡那霉素的传感器件在简单缓冲液体系(PBS)中，带凝胶保护的电极和不带保护的裸电极表现一致，然而，换到血液中后，二者差别明显，带凝胶保护的传感器件稳定性大大高于裸电极(图3A)。在全血样本中长时间测试中，这二者区别明显，带凝胶保护电极的信号衰减少于10％，而裸电极信号衰减至50％(图3B)。另外，本发明还考察了凝胶保护策略的通用性，将这一策略推广至其他传感器，譬如，检测可卡因和三磷酸腺苷(ATP)的电化学传感器中，观察到了同样的现象，带凝胶保护的电极在血液中持续测试10个小时性能稳定，信号衰减小于15％，而裸电极在同样条件下衰减至初始信号的50％左右(图3C和3D)。由此可见，凝胶保护层对电极的稳定性能有着大大的提高。
利用质量百分浓度为1％的琼脂糖水凝胶制得的电化学适配体生物传感器对抗脱氧核糖核酸酶降解的性能研究如图4所示，图4中曲线a为带凝胶保护电极的性能研究图，曲线b为裸电极的性能研究图，带凝胶保护电极和裸电极同时加入核酸降解酶(DNase)，测试结果表明，扫描100次，带凝胶保护的电极经扫描后信号衰减小于5％，相比之下，裸电极的抗降解能力较弱，在同样条件下降解了30％。
将利用质量百分浓度为1％的琼脂糖水凝胶制得的电化学适配体生物传感器植入到大鼠的颈静脉中，用于大鼠体内药物浓度的实时监控，从另一侧的颈静脉注入靶标药物卡那霉素，依次注入5，10，15，20，25，30mg/kg的剂量(图5)，如预期，观察到明显的电流信号改变，通过标准曲线校准，本发明的电化学适配体生物传感器成功实现了大鼠体内卡那霉素浓度的快速、实时的检测。同样地，将裸电极植入大鼠同一部位，信噪比差，信号不稳定，无法实现药物浓度的准确检测。
图6是将利用质量百分浓度为1％的琼脂糖水凝胶制得的电化学适配体生物传感器植入到大鼠体内后，生物传感器对注射药物的实时监控，图6A-D为注射两次药物的结果图，图6E-F为注射多次药物的结果图，图6G-H为对大鼠进行药物注射后，分别采取5次采血，对血样进行HPLC分析，结果表明，本实施例制得的生物传感器测试的结果与HPLC分析的结果较为一致，误差范围在30％以内。
图7是在大鼠的不同身体部位同时植入三个利用质量百分浓度为1％的琼脂糖水凝胶制得的电化学适配体生物传感器进行药物的实时监控,图7表明药物分子通过静脉给药后逐步释放到肌肉，并最终通过肾脏代谢，经膀胱排出体外。这一实验过程实现了药物分子在体内代谢过程的实时追踪的目的。
图8是在大鼠体内(血管和肌肉内)植入利用质量百分浓度为1％的琼脂糖水凝胶制得的电化学适配体生物传感器后对大鼠免疫系统的影响研究图，图9是大鼠体内(血管和肌肉内)植入利用质量百分浓度为1％的琼脂糖水凝胶制得的电化学适配体生物传感器后的大鼠细胞切片图，图8和图9表明，植入电化学适配体生物传感器的实验组和对照组(未植入电化学适配体生物传感器)的免疫指标相当，表明植入的电化学适配体生物传感器没有引起炎症反应。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.基于水凝胶保护的电化学适配体生物传感器，其特征在于，所述电化学适配体生物传感器通过在电极的表面均匀覆盖水凝胶制得。
2.权利要求1所述的基于水凝胶保护的电化学适配体生物传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：配制水凝胶溶液，将电极浸入水凝胶溶液中，保持一段时间后取出，重复操作，然后将电极迅速冻入液氮中，取出即得到电化学适配体生物传感器。
3.根据权利要求2所述的基于水凝胶保护的电化学适配体生物传感器的制备方法，其特征在于，所述水凝胶溶液的质量百分浓度为0.5％～3％。
4.根据权利要求2所述的基于水凝胶保护的电化学适配体生物传感器的制备方法，其特征在于，所述水凝胶溶液选用琼脂糖水凝胶。
5.根据权利要求2所述的基于水凝胶保护的电化学适配体生物传感器的制备方法，其特征在于，所述液氮的温度为-78℃。
6.权利要求1所述的基于水凝胶保护的电化学适配体生物传感器或利用权利要求2-5任一项所述的制备方法制得的基于水凝胶保护的电化学适配体生物传感器的应用，其特征在于，所述电化学适配体生物传感器能够用于体内血药浓度的实时检测。
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| CN104086786A (zh) * | 2014-07-17 | 2014-10-08 | 厦门大学 | 一种水凝胶电极的制备方法与应用 |
| CN105784820A (zh) * | 2016-03-11 | 2016-07-20 | 江苏大学 | 一种丝网印刷碳电极的适配体传感器用于检测微囊藻毒素的方法 |
| CN107422016A (zh) * | 2017-07-21 | 2017-12-01 | 上海第二工业大学 | Pva/peg复合水凝胶外膜结构的螺旋形可植入式微创葡萄糖传感器的制备方法 |
-
2019
- 2019-10-21 CN CN201911000308.5A patent/CN110806438A/zh active Pending
Patent Citations (3)
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| CN112707849A (zh) * | 2020-12-29 | 2021-04-27 | 中国地质大学（武汉） | 用于e-ab传感器中具有抗污染特性分子的合成方法 |
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