電容型免疫傳感器

電容型免疫傳感器

測定原理
電化學免疫傳感器是免疫傳感器中研究較早、種類較多的一個分支。它將免疫技術和各種電化學
技術耦聯,顯著提高了免疫傳感器的靈敏度。近十幾年來隨著相關科學技術的發展,一些新型的電化學
免疫傳感器相繼涌現。其中電容型免疫傳感器便是其中較為引人注目的一種[ 46 ] 。
電容型免疫傳感器是以測定界面電容變化作為分析和研究的手段。當電極插入溶液中,電極/溶液
界面的行為近似為一平行板電容器,在給定的電勢下其雙層電容C表示:
C =εε0A / d (5)
ε為平板電容器中介質的介電常數,ε0 為真空介電常數, A 為平板的面積, d為平板間距。在免疫分析
中,當ε、ε0、A 視為恒定的前提下,由于在傳感器界面上形成了抗原抗體復合物,相應的生物敏感膜厚度
d值增大,導致被測定的膜電容下降,由此可以建立目標物的定量檢測方法。

生物膜的構建和應用
同其它傳感器一樣,生物敏感膜的構建是電容型免疫傳感器識別免疫分子最為重要的部分。但與
其他免疫傳感器不同的是構建電容型免疫傳感器的關鍵在于生物敏感膜必須處于充分的絕緣狀態,否
則會由于溶液中的離子直接傳遞到電極表面而發生短路現象,導致傳感器測不到所需要的響應信號。
通常制作電容型免疫傳感器的基底是金屬或半導體,免疫分子可通過半導體氧化物、金屬氧化物、自組
裝單層分子或聚合物等耦聯在電極表面。Bataillard等[ 47 ]報道了能分別測定甲胎蛋白和IgE濃度的電容型免疫傳感器。首先通過水合作用在硅表面形成硅醇基,再用42氨丁基二甲基甲氧基硅烷處理硅醇
基,最后通過戊二醛將硅表面和抗體分子的氨基共價的連接起來,這樣通過測定抗原與固定在電極表面
的抗體反應前后的電容變化,就能達到測定相應抗原濃度的目的。此外利用金屬氧化物耦連免疫分
子[ 48, 49 ] ,也能用于相應抗原和抗體的檢測,但由于通過這些方法構建的傳感器得到的響應信號較弱[ 47 ] ,所以近些年來已較少被采用。為提高電容型免疫傳感器的靈敏度、穩定性、選擇性并降低檢出限,尋找新的方法構建生物膜是解決這些問題的關鍵。
隨著自組裝單層膜的研究不斷深入和成熟,該技術被越來越多地應用到電容型免疫傳感器的研制
中。Taira等[ 50 ]將末端含有二硝基苯的長鏈二烴基二硫化物自組裝在金電極表面構建了能用于測定抗二硝基苯抗體的電容型免疫傳感器。Rickert等[ 51 ]為了得到絕緣性更好、穩定性更高的傳感器,將口蹄疫病毒的衣殼蛋白VP1中的135～154氨基酸序列修飾在ω2羥基十巰醇上,然后將這個新合成的化合物與ω2羥基十巰醇混合共同自組裝在金電極表面。所制備的傳感器與單獨使用新合成化合物構建的傳感器相比,在傳感器測定的穩定性上有了大幅度提高。Berggren 等[ 52, 53 ]通過引入短鏈巰基化合物———巰辛酸自組裝方法構建了能在大約1 ng/L～1μg/L范圍內對生物分子進行測定的電容型免疫傳感器。這種傳感器成功地對白介素22、白介素26、人絨毛促性腺激素和人血清白蛋白進行了測定,而且電極的非特異性吸附很小,這為免疫分子的超微量直接電容檢測提供了新的思路,有關的研究成果對電容性免疫傳感器的發展具有重要意義。Dijksma等[ 54 ]通過自組裝乙酰化的半胱氨酸構建了γ干擾素電容性免疫傳感器,將γ干擾素的檢出限降至10- 18 mol/L (約0. 02 pg/L) ,以如此低的檢出限對生物分子進行檢測和分析是其他方法所無法企及的。
本課題組也先后嘗試了用巰基化合物自組裝的方法構建了能用于層膠粘蛋白[ 55 ] 、透明質酸結合蛋
白[ 56 ] 、水蛭素[ 57 ] 、C反應蛋白和轉鐵蛋白等生物分子測定的電容型免疫傳感器,為實現臨床應用電容型免疫傳感器提供了一定的參考。由于自組裝單分子層的有序性、穩定性、絕緣性和可調控性,使通過這種方法所構建的電容型傳感器在研究中體現出了很多優越性[ 58 ] 。但是,目前這些研究大多還停留在實驗室階段,原因之一是受制作工藝的限制,通過自組裝方法制備的傳感器尚無法進行大規模工業化生產;另外通過這種方法所構建的電容型免疫傳感器再生使用不理想,在不破壞自組裝單層膜的絕緣結構前提下,有效地對已結合的抗原抗體進行分離的方法還不成熟。因此,要使這種傳感器能廣泛的應用于常規分析還需要解決電極穩定性、再生性等諸多問題。

SPR型免疫傳感器、QCM型免疫傳感器和電容型免疫傳感器的共同的突出特點是直接免疫分析測
定,而且樣品的預處理簡單或者不需要預處理就能對生物分子進行分析測定和研究。3種免疫傳感器
中報道最多的、商品化程度最高的是SPR型免疫傳感器,但是綜合考慮傳感器的靈敏度、檢出限以及儀
器的經濟性,電容型免疫傳感器無疑是很有發展前途的。與此同時,測定中存在的非特異性吸附現象是
無標記型免疫傳感器的共有問題。如何進一步提高這類傳感器的性能,使無標記型免疫傳感器能更多
地從實驗室研究應用到更廣闊的實際領域是有關研究者面臨的主要挑戰。