我组在酶基生物传感器研发方面取得重要突破

酶基生物传感器的稳定性能一直是限制其广泛应用的重要障碍。近日，由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重要突破，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，相关研究成果发表在2020年出版的Biosensors & Bioelectronics （https://authors.elsevier.com/sd/article/S0956-5663(20)30401-2）和Analytical Chemistry（http://dx.doi.org/10.1021/acs.analchem.9b05466）等期刊上，这也是国际上首次将SMENs技术应用于分析和生物传感领域。作为一种具有显著提高酶稳定性的新型纳米技术，基于SMENs的长寿命、高稳定性生物传感器将有力促进分析领域、生物医学检测领域、可穿戴设备、可植入设备等应用领域的发展。

酶本质上是蛋白质分子，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，因此限制了它们在不同领域的应用。例如，尽管酶生物传感器具有较高的灵敏度和选择性，但不同的工作环境，如温度、有机溶剂、湿度和pH值的变化，都会导致其生物活性的丧失。酶分子的稳定性不足是其在应用中受限的主要原因。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，提高酶生物传感器的稳定性和货架期，对于拓宽其在分析领域、生物医学检测领域、可穿戴设备、植入式设备等领域的应用至关重要。

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）等权威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；2018, 105, 424-435）等撰写了相关综述，获得了多项省部级科技奖励。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生物传感器的灵敏度和检出限性能，但对于提高生物传感器的稳定性作用却并不显著。本研究工作中，该团队提出了以高稳定性酶单分子纳米胶囊技术解决长期困扰酶传感器发展的稳定性难题。研究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內，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酶和Tyr酶核心，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2h后基于天然酪氨酸酶的传感器残留相对活性只剩23.2%，而基于酪氨酸酶纳米胶囊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，却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各种极端的应用场景，为提高酶传感器的稳定性提供了有广阔前景的解决方案。

基于SMENs的生物传感器制备、检测应用和稳定性提高示意图。

（文/图 卢宪波）