技术科普 | 电化学生物传感器研究热点之生物敏感元件在基体表面的固定化

柏医健康 1,021 2024-05-31

对于电化学生物传感器,生物敏感元件在基体电极表面的固定化一直是该领域的研究热点之一。固定化的主要目的是将生物敏感元件固定在电极表面区域有限的空间内,但同时又不能妨碍被测物的自由扩散。电极表面固定化技术决定了电化学生物传感器的性能和应用价值。

生物传感器的固定化技术的目的

为使生物功能物质保持原有生物活性、非特异性吸附小、不易脱落、固定量大以及不影响换能器的灵敏度和响应时间等特点,会采用生物传感器的固定化技术对基体表面进行修饰。

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生物传感器固定化技术方法

生物传感器中常用的固定化方法

生物传感器中常用的固定化生物敏感元件的方法有夹心法、吸附法、共价键合法、包埋法、交联法等。以持续血糖监测系统(CGMS)为例,CGM系统传感器植入皮下后,通常传感器中会采取过量的酶来保证在传感器寿命要求范围内,维持酶的活性是CGM传感器成功应用的关键。不管是哪种固定化方法,都要保证传感器的稳定性和保持生物功能分子的活性。

1.夹心法

夹心法是使用双层滤膜将生物敏感物质或酶封闭在内,根据不同的生物材料可以选择合适孔径的滤膜。此方法操作简单、固载量大、响应快,不需要化学处理,尤其适合于微生物和组织膜的制作。

2.吸附法

物理吸附是最简单的一种固定化方法,由吸附法制作的传感器稳定差,使用寿命短,但是方法简单,不需要别的试剂或电极预清洁处理,很少会对酶造成破坏。在传感器制作过程中,溶液pH、温度、离子强度、溶剂等因素对电极稳定性影响较大,因此要注意控制这些实验条件。此外,为了增加传感器稳定性,吸附法常与其他固定化方法结合,如吸附交联法。

3.共价键合法

将生物活性分子以共价键结合在经过表面处理和修饰的电极表面,其优点是结合牢固,生物分子不易脱落,但操作步骤多,在共价固定过程中,生物分子的活性可能会因为发生了化学修饰而降低,要特别注意保护酶的活性中心,常需要加入酶的底物防止酶的活性部位和基质发生键合,并通常在低温、低离子强度和生理pH下进行操作。

4.包埋法

利用高分子聚合物作为基质,将酶或生物活性分子包埋并固定在其三维空间网状结构中,一般不能产生化学修饰,且对生物分子的活性影响要小,被包埋物不易泄漏。

5.交联法

将酶蛋白分子通过与交联试剂结合而固定在电极表面,常用的交联试剂是戊二醛,它可以与蛋白质分子中的氨基形成Schif碱发生交联,利用交联法制备酶膜时常加入数倍于酶的惰性蛋白质作为基质,常用牛血清白蛋白(BSA),它可以占据酶的位点和戊二醛交联,以防止酶分子过于拥挤。

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以酶为例的固定化方法

柏医健康自主研发的酶固定化设备

为提高CGM(持续血糖监测)及针灸针表面化学修饰层固定化效率,柏医健康自主研发了半自动化生物膜交联机(BEAuLink-100)、水平方向涂膜机(BEAuCoX-100)、垂直方向涂膜机(BEAuCoY-100),实现了CGM工件的表面生物膜自动固定化。

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柏医健康自主研发半自动化生物膜交联机(BEAuLink-100)

以半自动化生物膜交联机(BEAuLink-100)为例,该设备主要是通过交联剂的均匀挥发,将生物膜牢固地交联固定于电极表面,并且能通过调节涂膜腔温度、 转子的运动速度,交联次数等参数, 来控制固定化生物层的生物层性能。主要特点包括:

  • 循环水浴保温,节能高效,稳定性好;
  • 铝合金转子,轻巧耐用;
  • 交联腔内温度、湿度可测;
  • 交联剂料舟盘易取易放易清洗;
  • 定时工作,自动结束蜂鸣报警。

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