生物分子固定化方法

生物传感器中生物组分的固定化方法
生物传感器由两部分组成: 生物敏感元件与信号转换器。

生物传感器的选择性主要取决于敏感材料的选取,而灵敏度的高低则与转换器的类型、生物组分的固定化技术等有很大的关系。

因此固定化技术的发展就是提高传感器性能的关键因素之一。

生物传感器要呈现良好的工作性能, 其固定化技术应满足以下条件:
(1) 固定化后的生物组分仍能维持良好的生物活性;
(2) 生物膜与转换器须紧密接触,且能适应多种测试环境;
(3) 固定化层要有良好的稳定性与耐用性;
(4) 减少生物膜中生物组分的相互作用以保持其原有的高度选择性。

为了研制廉价、灵敏度高而且选择性好的生物传感器,固定化技术已成为研究者们努力探求的目标。

经过近20年的不懈探索,已建立了对各种不同生物功能材料的固定化方法。

1、1、3、1 物理吸附法
此法就是通过生物分子的极性键、氢键、疏水键的作用将生物组分吸附于不溶性的惰性载体上。

文献已经报道了一些材料可用作吸附其它材料的载体,比如,石墨粉[25]、石墨-聚四氟乙烯[26]、活性碳[27]、离子交换树脂[28]等。

物理吸附法的特点就是方法简便、操作条件温与,缺点就是生物分子与载体表面的结合力弱,在表面进行任意取向的不规则分布,因此使制得的生物传感器容易发生生物分子的脱落与泄漏,从而造成传感器的灵敏度低,重现性差。

1、1、3、2 包埋法
将生物组分与合成高分子经溶剂混合而使生物组分包埋于其中,制成敏感膜的方法称作包埋法。

采取的包埋方式通常包括凝胶包埋法与胶囊包埋法二种形式[29,30]。

包埋法的优点就是操作条件比较温与,膜的孔径与形状可随意控制,对生物组分活性的影响较小,缺点就是需控制很多实验因素,而且生物组分在聚合物膜内的活性会受到影响。

1、1、3、3 共价键合法
将生物组分通过共价键与电极表面结合而固定的方法称作共价键合法。

该法就是利用基体表面进行活化处理,然后与生物组分偶联,从而使生物组分结合到基体表面。

活化的方法有:烷基化法[31]、高碘酸氧化法[32]、迭氮法[33]等。

该法的优点就是通过形成特殊键将生物组分进行固定,因此生物组分不易发生泄漏,并且改善了生物分子在表面的定向,但缺点就是操作复杂,成本高,而且生物组分易失活。

1、1、3、4 化学交联法
化学交联法就是在交联剂(具有两个或两个以上功能团的试剂) 的作用下,生物分子间发生共价结合,也可将生物组分直接与载体共价交联。

最常用的交联剂就是戊二醛[35]。

该法的优点就是生物组分的固定比较牢固,不易脱落,缺点就是反应难以控制,扩散阻力大,所需的生物样品量多。

1、1、3、5 电化学聚合法
电化学聚合法就是通过将聚合物单体与生物组分同时混合于电解液内,通过
恒电位法或者电位循环扫描法使单体电氧化或还原而形成聚合物膜,与此同时生物组分由于静电或吸附作用而被嵌入聚合物膜内。

常用的构成生物传感器的聚合物膜分为导电型与非导电型两种。

导电型聚合物常见的有聚吡咯[35]、聚苯胺[36]、聚噻吩[37]等;非导电型常见的有聚邻苯二胺[38]、聚苯酚[39]等。

电化学聚合法具有以下优点:(1) 电化学聚合与生物组分的固定可一步完成,简化了实验步骤;(2) 聚合层的厚度与生物组分的量易于控制,构制的传感器的重现性较好;(3) 抗干扰能力强。

1、1、3、6 溶胶-凝胶技术
溶胶-凝胶技术就是指有机或无机化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化,再经过热处理而制得氧化物或其她化合物固体的一种方法。

研究结果表明,溶胶-凝胶的多孔网状结构不仅适合固定小分子也适合固定生物大分子。

使用溶胶-凝胶固定法可以为网络中的生物大分子提供一个水溶液的微环境,因为网络结构中含有大量的孔隙水。

与传统的固定方法相比,溶胶-凝胶固定法的优势还表现在它可固定任何种类的生物组分,可以较好地保持蛋白质表面微观结构的整体性与方向均一性,从而对蛋白质的活性与稳定性的损伤较小[40]。

1、1、3、7 聚电解质层层组装技术
聚电解质就是一种水溶性高分子化合物,在水溶液中以稳定的线性聚离子形式存在并带有大量的电荷[41]。

聚电解质层层组装技术就是一种很有发展潜力的生物分子固定技术。

自从Decher等提出通过聚电解质层层组装技术构制超薄膜以来[42],该项技术已引起了研究者们的广泛兴趣。

最近,Wang及其合作者报道了一种基于胱胺与聚苯乙烯磺酸盐自组装的压电免疫传感器[43];Wu等报道了一种基于羧基纤维素与聚烯丙胺盐酸盐(PAH) 之间的静电作用而进行自组装的可反复更新的尿酶传感器[44]。

1、1、3、8 纳米材料固定化技术
纳米粒子就是由数目很少的原子或分子组成的原子群或分子群,其颗粒的大小在1 ~ 100 nm之间。

纳米粒子主要具有四方面的效应:表面效应、体积效应、量子尺寸效应与宏观量子隧道效应,并由此产生出许多特殊性质:奇异力学、电学、磁学、热学、光学与化学活性等[45]。

下文将详细介绍最常用的一种纳米材料-纳米金在生物分子固定化以及其她方面的应用。

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