硅基介孔材料在第三代电生物传感器中的应用

来源：www.bio-sensor1.org 发布时间：2014-09-25

　　自20世纪90年代早期发现介孔结构的硅基材料以来，多种不同的无机介孔材料均被发展用于固载蛋白质，除了介孔硅材料，还有介孔金属氧化物和介孔碳材料。
　　介孔硅材料，尤其是有序介孔硅酸盐，在蛋白质固载领域的应用为广泛。这是因为它们具有生物相容性，孔道规则有序，比表面积巨大等优点。固载于介孔硅材料上的酶由于介孔的纳米孔道的保护通常显示出良好的稳定性。
　　使用介孔硅固载蛋白质在生物分离，生物催化等方面发挥了巨大的优势。然而，2000年，Washmon-Kriel才首次将介孔硅材料应用于第三代生物传感器的研究。Washmon-Kriel研究了细胞色素C在有序介孔分子筛MCM-48(2-4nm)和SBA-15(5-30nm)上的固载。实验发现，在蛋白质易变性的溶液中，固载于分子筛中的蛋白质仍保持很好的生物活性和稳定性，在接下来的几个月的时间里，循环伏安结果表明固载后的C仍保留着它的氧化还原活性。与石墨和Cyt.C混合压片的样品做对比，发现尽管固载于介孔硅上的Cyt.C表现出较弱的直接电子转移信号，但固定后的Cyt.C的稳定性是非常明显的。也许受前期制备的介孔二氧化硅的孔径较小等原因的影响，介孔硅在第三代生物传感器中的应用的研究非常有限。4年后，鞠熀先组才报道了使用六边形有序介孔硅材料固载系列氧化还原蛋白质用于直接电的研究。在研究中使用的氧化还原蛋白质包括：血红蛋白、肌蛋红白和辣根过氧化酶。HMS根据合成时使用的表面活性剂的不同，孔径不同。其中，使用十八烷基胺做表面活性剂得到的介孔HMS的孔径为4.04nm，使用十二烷基胺做表面活性剂得到的介孔孔径为3.35nm。研究表明固载于HMS上的氧化还原蛋白质均表现出了直接电子转移性能。其中，在ODA-HMS上被固定的HRP比在DDA-HMS上表现出了更明显的电响应，研究者推断是这种更显著的电响应是因为ODA-HMS具有更大的孔径从而利于HRP吸附。在此基础上，固载于HMS上的氧化还原蛋白质还被应用于过氧化氢和亚硝酸盐的电催化研究。此外，固载于六边形有序介孔硅材料的葡萄糖氧化酶也表现出很好的直接电响应。随着纳米技术的发展，近年来，具有大尺寸孔径的介孔硅材料越来越受到人们的关注，因为大尺寸孔径增加了对不同尺寸蛋白质的选择性，为后续介孔材料的修饰提供了更大的可利用空间，为增加介孔材料的功能性提供了可能性。研究者推断这种高效的电催化性能可能是由于BMS双孔径的分布结构，即大的孔道为蛋白质的固载提供了有效空间，而它的小孔则为物质的传输提供了便利。
　　随着介孔材料在第三代生物传感器研究的深入，为了提高固载蛋白质的直接电信号，金、量子点、铂纳米粒子作为促进剂也被尝试着应用于介孔硅固载蛋白质体系。金利通研究组对比了介孔SBA-15固载Hb修饰电极和Au掺杂SBA-15固载Hb两体系的直接电行为，发现Hb在两体系中均具有直接电信号。然而，固载于Au－SBA-15中的Hb修饰电极表现出更高的电子转移速率。使用计时安培法对比研究Hb／SBA-15和Hb／Au－SBA-15对氢过氧化的催化活性，发现Hb／Au－SBA-15对过氧化氢的响应电流是Hb／SBA-15的响应电流的３倍，具有更宽的线性检测范围和和更小的Michaelis常数。
　　综上所述，无机介孔硅材料是一种有效的、可保持蛋白质活性的适宜载体。使用具有恰当孔径大小的的介孔硅并用恰当的方式实现蛋白质在介孔硅材料上的固载，可以使固载蛋白质表现出直接电信号。在诸如金、量子点等促进剂的辅助下，固载蛋白质的直接电性能可以被大大地提高。总而言之，介孔硅为蛋白质的直接电子转移和第三代生物传感器的构建提供了有效的平台。

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