几种刺激-响应性分子印迹电化学生物传感器的构建及应用

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分子印迹聚合物(MIPs)是指通过分子印迹技术合成对特定目标分子具有特异性识别和选择性吸附的一类智能材料,其制备方法简单、成本低且稳定性好,可广泛应用于分离科学、生物化学传感器、模拟酶催化和药物输送等领域。在MIPs的发展过程中,小分子印迹技术发展迅速,而蛋白质分子印迹技术发展相对缓慢,这主要是因为蛋白质的分子量和体积较大、结构复杂,导致其在印迹过程中传输扩散效率较低、吸附/脱附较难。为实现目标蛋白的高效快速捕获和释放,本文研制了几种刺激-响应性蛋白质印迹电化学传感器(SR-MIPs/GCE),通过引入不同刺激源(光源、气体、温度和电场),来调控SR-MIPs/GCE与目标蛋白之间的相互作用,实现了蛋白质的富集、萃取和检测。该策略不仅解决了传统蛋白质分子印迹技术中目标物洗脱难、传质速率慢等难题,而且提高了传感器的印迹效率。主要内容及结论如下:1)通过自由基聚合法构建了高灵敏的牛血清白蛋白(BSA)印迹温度响应性电化学传感器(T-MIPs/GCE)。T-MIPs/GCE中的聚N-异丙基丙烯酰胺(PNiPAAm)链在较低临界溶解温度(LCST)下会发生亲水/疏水构象的转变,这种构象的转变会抑制模板和单体之间的相互作用。基于此,在37℃下向传感器施加-0.8 V至+0.8 V的电位循环14圈,对BSA进行可控洗脱。该方法实现了在温和、生理条件下BSA的自清洁,洗脱后的印迹膜仍然保持稳定的结构并可用于进一步的识别行为。本研究所构建的检测BSA电化学传感器具有较宽的检测范围(0.02-10μmol L-1),检出限为0.012μmol L-1,将该方法应用于牛奶样品中BSA的测定,回收率为98.2%103.1%。2)采用自由基聚合法构建了高灵敏的人血清白蛋白(HSA)印迹电场响应性电化学传感器(E-MIPs/GCE)。通过向负载有HSA的印迹传感器提供过电位,驱动传感器表面水电解还原产生氢气,改变传感器附近的局部pH,从而实现了HSA的自清洁。本研究所构建的检测HSA的电化学传感器具有较宽的检测范围(0.05-5.0μmol L-1),检出限为0.024μmol L-1,将该方法用于血清样品中HSA的富集、分离和检测,回收率为92.4%101.2%。该方法不仅解决了pH响应聚合物中反复添加酸或碱产生大量副产物的难题,而且加快了蛋白质的迁移速率,提高了传感器的印迹效率。3)基于N,N’-甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA)在水溶液中交替通入CO2/N2下的可逆构型转变,本研究构建了HSA印迹的气体响应性电化学传感器(G-MIPs/GCE)。通过向负载有HSA的传感器中通入N2 30 min,该方法实现了在温和、生理条件下对HSA的自清洁;通过向水溶液中交替通入CO2和N2,G-MIPs/GCE实现了可逆的吸附与解吸过程。采用氢核磁共振(1H NMR),扫描电镜(SEM)和接触角,循环伏安法(CV)和电化学阻抗谱(EIS)分别对DMAEMA,G-MIPs,和G-MIPs/GCE的气体响应特性进行表征。本研究所构建的检测HSA电化学传感器具有较宽的检测范围(0.015-5.0μmol L-1),检出限为0.016μmol L-1,将该方法用于血清样品中HSA的富集、分离和检测,回收率为92.5%112.1%。4)通过原子转移自由基聚合法(ATRP)制备了磁性Fe3O4光响应性表面分子印迹聚合物,结合了磁场可控玻碳电极的磁吸附界面稳定性和对乙酰氨基酚(PCM)的电化学活性,构建了一种对生物样品中痕量PCM的富集、分离和检测的方法。本研究所构建的检测PCM电化学传感器具有较宽的检测范围(0.001-7 mmol L-1),检出限为0.00043mmol L-1。将该方法应用于尿液样品中PCM的富集、分离和检测,回收率为87.5%93.3%。该方法有效的解决了传统分子印迹固相萃取吸附剂(MISPE)在样品提取后的模板释放效率低、重复利用性差等的问题。5)采用自由基聚合法将氧化石墨烯/聚苯胺(GO/PANI)光热复合材料嫁接到T-MIPs/GCE中构建了具有优异导电性和机械性能的高灵敏BSA印迹近红外光响应性电化学传感器(NIR-MIPs/GCE)。以GO/PANI充当物理交联剂,利用其与PNiPAAm中酰胺基团形成的氢键作用力,增强印迹水凝胶的网络结构。在NIR照射下PNiPAAm发生可逆构象变化,NIR-MIPs/GCE不仅对BSA表现出优异的自清洁功能,而且对蛋白质表现出可控吸附与解吸性能。本研究所构建的检测BSA电化学传感器具有较宽的检测范围(0.02-10μmol L-1),检出限为0.015μmol L-1,将该方法用于血清样品中BSA的富集、分离和检测,回收率为90.9%104.4%。
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