我所基于酶单分子纳米胶囊技术显著提高酶生物传感器的稳定性

[video:给生物传感器穿上铠甲]

  近日,我所生态环境评价与分析研究组(103组)卢宪波研究员和陈吉平研究员团队研发的基于酶单分子纳米胶囊(SMENs)技术的生物传感器取得新进展,酶传感器的热稳定性、有机溶剂耐受性、酸碱耐受性、存储稳定性等核心性能实现质的提高,在国际上率先将SMENs技术应用于分析和生物传感领域。

  酶生物传感器具有简单、快速、廉价、便携、微型化等优势,在医疗诊断、食品、环境等领域具有广阔应用前景,但其稳定性不高一直是限制其广泛应用的重要障碍。酶是蛋白质分子,作为高效的生物反应器具有显著的选择性和特异性。然而,它们对外界环境(温度、溶剂、pH值等)高度敏感,而且保质期很短、稳定性不足,因此限制了其在不同领域的应用,酶生物传感器亦如此。因此,开发在不同工作环境下具有高稳定性的酶生物传感器,提高其存储和使用寿命,对于拓宽其在分析、生物医学检测、可穿戴设备、植入式设备等领域的应用至关重要。在传统的研究中,通常是利用纳米材料的纳米调控效应,通过采取不同的酶分子固定化方式和传感策略(如采用生物相容性无机纳米材料等作为酶分子固载单元),以显著提高酶生物传感器的灵敏度和检出限性能,但这对于提高酶生物传感器的稳定性作用却并不显著。

  该团队近期以高稳定性酶单分子纳米胶囊技术解决了长期困扰酶传感器发展的稳定性难题,分别以葡萄糖氧化酶(GOx)和酪氨酸酶(Tyr)为模型酶,在水环境中采用简单的室温原位自由基聚合策略,将上述酶的单分子封装在多孔的聚合物壳内,研制出高活性、高稳定性的单分子酶纳米胶囊(SMENs):葡萄糖氧化酶纳米胶囊(nGOx)和酪氨酸酶纳米胶囊(nTyr)。聚合物外壳有效地稳定了内部的GOx和Tyr核心,同时多孔的网络结构实现了底物的快速运输,从而形成了一类具有突出活性和稳定性的新型生物催化纳米胶囊。聚合物薄层与酶分子之间的多重共价结合增强了被包裹的酶分子稳定性,为其提供了良好的微环境,避免了高温和强酸碱条件下的结构变性,并有助于在有机溶剂体系操作过程中保留酶活性所必需的水分子。以热稳定性为例,在65 ℃下孵育2 h后,基于天然Tyr的传感器相对活性只剩23.2%,而基于nTyr的传感器相对活性仍然可以保持52.7%以上。基于nGOx和nTyr的传感器分别在血糖检测和双酚A检测中展示了良好的性能,且有着显著提高的热稳定性、有机溶剂耐受性、酸碱稳定性和长存储寿命。基于新型单分子酶纳米胶囊的生物传感器可适用于多种极端的应用场景,为提高酶传感器的稳定性提供了解决方案。

  

  该团队近年来一直致力于提高生物传感器的稳定性、灵敏度、检出限等关键性能和发展重要目标物的实时快速检测方法,在Biosensors & Bioelectronics(2018,107,69-75;2015,65,295-301;2014,62,134-139;2012,35,193-199;2011,26,4040-4045等)、ACS Applied Materials & Interfaces(2016,8,16533-16539)、Carbon(2020,156,568-575)等期刊发表了一系列相关论文,并受邀为Chemical Society Reviews(2017,46,6946-7020)、TRAC-Trends in Analytical Chemistry(2018,98,174-189)等撰写了相关综述。

  相关研究成果发表在《生物传感器和生物电子学》(Biosensors & Bioelectronics)和《分析化学》(Analytical Chemistry)上。以上工作得到了国家自然科学基金项目、大连化物所创新研究基金项目等资助。(文/卢宪波 图/Dhanjai)

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