基于核酸適配體及多肽識別的電位型生物傳感器技術(shù)：原理、應(yīng)用與展望一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的進(jìn)程中，對生物分子的高靈敏、高特異性檢測需求愈發(fā)迫切。生物傳感器作為一種融合了生物識別元件與信號轉(zhuǎn)換元件的分析工具，能夠?qū)⑸锓肿又g的特異性相互作用轉(zhuǎn)化為可檢測的電信號、光信號或其他物理信號，從而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物質(zhì)的快速、靈敏檢測，在生物分析、醫(yī)學(xué)診斷、環(huán)境監(jiān)測、食品安全檢測等眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。其中，電位型生物傳感器作為電化學(xué)生物傳感器的重要分支，憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢在生物傳感領(lǐng)域占據(jù)著關(guān)鍵地位。電位型生物傳感器將生物識別反應(yīng)轉(zhuǎn)換為電位信號，該信號與生物識別反應(yīng)過程中產(chǎn)生或消耗的活性物質(zhì)濃度對數(shù)成正比，進(jìn)而與待測物質(zhì)濃度的對數(shù)成正比。這種傳感器具有響應(yīng)直觀、操作簡便、無需外加電源等優(yōu)點(diǎn)，尤其適合于對生物體液中的物質(zhì)活度測定。例如在臨床診斷中，可用于檢測血液、尿液等生物體液中的各種離子濃度、代謝產(chǎn)物以及生物標(biāo)志物等，為疾病的早期診斷和治療提供重要依據(jù)。此外，在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，電位型生物傳感器可用于檢測水體、土壤中的重金屬離子、農(nóng)藥殘留等污染物，實(shí)現(xiàn)對環(huán)境質(zhì)量的實(shí)時監(jiān)測和預(yù)警。在食品安全檢測方面，能夠快速檢測食品中的致病菌、毒素以及添加劑等，保障食品安全。傳統(tǒng)的電位型生物傳感器雖已取得一定應(yīng)用，但在識別特異性和靈敏度方面存在局限性。隨著生物技術(shù)的迅猛發(fā)展，核酸適配體和多肽識別技術(shù)的出現(xiàn)為電位型生物傳感器的性能提升帶來了新契機(jī)。核酸適配體是通過指數(shù)富集配體系統(tǒng)進(jìn)化技術(shù)（SELEX）篩選得到的一段DNA或RNA寡核苷酸單鏈，能通過分子內(nèi)堿基配對、靜電作用、氫鍵、范德華力等作用折疊形成多種空間結(jié)構(gòu)，從而特異性地識別并結(jié)合重金屬離子、抗生素、小分子、蛋白質(zhì)等靶分子，具有與抗原-抗體反應(yīng)相類似的高度親和性和特異性，被稱為“化學(xué)抗體”。與傳統(tǒng)抗體相比，核酸適配體還具有分子量小（5-15KD）、靶標(biāo)范圍廣、免疫原性低、穩(wěn)定性好、可人工合成、易修飾等特點(diǎn)。在生物傳感器中引入核酸適配體作為識別元件，能夠顯著提高傳感器對靶物質(zhì)的特異性識別能力，降低檢測背景干擾，提升檢測靈敏度和準(zhǔn)確性。例如在對腫瘤標(biāo)志物的檢測中，核酸適配體修飾的電位型生物傳感器能夠更精準(zhǔn)地捕獲目標(biāo)標(biāo)志物，實(shí)現(xiàn)對腫瘤的早期診斷和病情監(jiān)測。多肽是由氨基酸通過肽鍵連接而成的化合物，其結(jié)構(gòu)和功能具有多樣性。多肽能夠與特定的靶分子發(fā)生特異性相互作用，基于其獨(dú)特的識別特性，多肽也被廣泛應(yīng)用于生物傳感器的構(gòu)建中。多肽識別具有高特異性和親和力，且易于合成和修飾，可根據(jù)不同的檢測需求設(shè)計和合成具有特定功能的多肽序列。將多肽識別引入電位型生物傳感器，能夠進(jìn)一步拓展傳感器的檢測范圍，提高對復(fù)雜生物樣品中目標(biāo)物質(zhì)的檢測能力。例如在蛋白質(zhì)檢測中，多肽識別元件能夠準(zhǔn)確地識別目標(biāo)蛋白質(zhì)，通過電位信號的變化實(shí)現(xiàn)對蛋白質(zhì)含量的定量檢測。將核酸適配體及多肽識別引入電位型生物傳感器技術(shù)，能夠充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)對生物分子的高效、特異性檢測，為生物分析和醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域提供更為先進(jìn)、精準(zhǔn)的檢測手段，具有重要的研究意義和廣闊的應(yīng)用前景。1.2電位型生物傳感器技術(shù)原理與現(xiàn)狀電位型生物傳感器作為電化學(xué)生物傳感器的重要類型，其工作原理基于離子選擇性電極理論。當(dāng)生物識別元件與待測目標(biāo)物質(zhì)特異性結(jié)合時，會引發(fā)生物識別反應(yīng)，該反應(yīng)會導(dǎo)致傳感器敏感膜表面或附近溶液中離子濃度發(fā)生變化。離子選擇性電極對特定離子具有選擇性響應(yīng)，能在敏感膜與溶液之間建立起電位差，此電位差符合能斯特方程（E=E^0+\frac{2.303RT}{nF}\loga_i，其中E為電極電位，E^0為標(biāo)準(zhǔn)電極電位，R為氣體常數(shù)，T為絕對溫度，n為反應(yīng)中轉(zhuǎn)移的電子數(shù)，F(xiàn)為法拉第常數(shù)，a_i為待測離子的活度），通過測量該電位差的變化，即可實(shí)現(xiàn)對待測物質(zhì)濃度的檢測。例如，在檢測葡萄糖時，葡萄糖氧化酶作為生物識別元件，催化葡萄糖氧化反應(yīng)，產(chǎn)生氫離子，導(dǎo)致溶液中氫離子濃度變化，氫離子選擇性電極對氫離子濃度變化作出響應(yīng)，從而產(chǎn)生電位信號，該信號與葡萄糖濃度存在對應(yīng)關(guān)系。在研究現(xiàn)狀方面，電位型生物傳感器的研究持續(xù)深入并取得了一系列成果。在生物識別元件的選擇與優(yōu)化上，除了傳統(tǒng)的酶、抗體等，如前文提及的核酸適配體和多肽等新型識別元件不斷被引入，極大地拓展了傳感器的檢測范圍和特異性。同時，在電極材料與制備工藝上，新型納米材料和微納加工技術(shù)的應(yīng)用，顯著提升了電極的性能，包括靈敏度、穩(wěn)定性和響應(yīng)速度等。例如，納米金顆粒修飾的電極，由于其高比表面積和良好的生物相容性，能夠有效固定生物識別元件，增強(qiáng)電子傳遞效率，進(jìn)而提高傳感器的靈敏度。在信號處理與分析技術(shù)上，先進(jìn)的電子學(xué)和計算機(jī)技術(shù)的融合，使得電位信號的采集、處理和分析更加精準(zhǔn)和高效，實(shí)現(xiàn)了對復(fù)雜樣品中低濃度目標(biāo)物質(zhì)的準(zhǔn)確檢測。在應(yīng)用場景上，電位型生物傳感器已廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域。在醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域，用于檢測各種生物標(biāo)志物，如血糖、血脂、腫瘤標(biāo)志物等，為疾病的早期診斷、病情監(jiān)測和治療效果評估提供重要依據(jù)。在環(huán)境監(jiān)測方面，可用于檢測水體中的重金屬離子、酸堿度以及土壤中的營養(yǎng)成分和污染物等，助力環(huán)境保護(hù)和生態(tài)平衡維護(hù)。在食品安全檢測中，能快速檢測食品中的微生物、農(nóng)藥殘留、獸藥殘留以及添加劑等，保障食品安全，維護(hù)公眾健康。1.3核酸適配體及多肽識別在生物傳感器中的應(yīng)用概述核酸適配體作為生物傳感器中的識別元件，近年來展現(xiàn)出了極大的應(yīng)用優(yōu)勢和研究熱度。自1990年被首次提出以來，核酸適配體憑借其獨(dú)特的篩選技術(shù)——指數(shù)富集配體系統(tǒng)進(jìn)化技術(shù)（SELEX），能夠從隨機(jī)寡核苷酸文庫中篩選出與各種靶分子特異性結(jié)合的單鏈DNA或RNA片段。其與靶分子的結(jié)合是通過分子內(nèi)堿基配對、靜電作用、氫鍵、范德華力等形成特定空間結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，這種特異性結(jié)合類似于抗原-抗體反應(yīng)，卻具有諸多傳統(tǒng)抗體無法比擬的特性。在生物傳感器的構(gòu)建中，核酸適配體的小分子量（5-15KD）使其能夠更靈活地與各種換能器結(jié)合，且易于修飾，可通過在其末端連接不同的功能基團(tuán)，如熒光基團(tuán)、生物素、巰基等，實(shí)現(xiàn)與多種檢測技術(shù)的融合。例如，將核酸適配體與熒光檢測技術(shù)結(jié)合構(gòu)建熒光適配體傳感器，利用適配體與靶物質(zhì)結(jié)合后熒光值的變化對靶物質(zhì)進(jìn)行定量檢測。Yang等學(xué)者建立了一種適配體-SYBRⅠ熒光探針傳感體系用于檢測牛奶中的四環(huán)素，在最佳條件下，檢出限達(dá)1×10^{-8}mg/mL。而電化學(xué)生物傳感器與核酸適配體結(jié)合形成的電化學(xué)適配體傳感器，是目前研究最廣、發(fā)展最快的一類適配體傳感器。它能夠?qū)⑸锓肿雍桶蟹肿拥慕Y(jié)合過程轉(zhuǎn)化為可測量的電信號，從而實(shí)現(xiàn)對靶物質(zhì)的檢測分析。在重金屬離子檢測方面，核酸適配體修飾的電位型生物傳感器展現(xiàn)出高靈敏度和選擇性，能夠準(zhǔn)確檢測環(huán)境水樣中的痕量重金屬離子，為環(huán)境監(jiān)測提供了有力手段。多肽識別在生物傳感器中的應(yīng)用同樣廣泛且具有重要意義。多肽由氨基酸組成，其氨基酸序列的多樣性決定了多肽結(jié)構(gòu)和功能的多樣性，這使得多肽能夠特異性地識別和結(jié)合各種靶標(biāo)分子，包括蛋白質(zhì)、細(xì)胞、病原體等。多肽的合成相對簡便，可通過固相合成法等技術(shù)精確控制氨基酸的序列和長度，從而根據(jù)不同的檢測需求設(shè)計和制備具有特定識別功能的多肽。在免疫傳感器中，多肽可作為模擬抗原或抗體，用于檢測相應(yīng)的抗體或抗原。與傳統(tǒng)的免疫識別元件相比，多肽具有更高的穩(wěn)定性和更低的生產(chǎn)成本。同時，在細(xì)胞檢測方面，多肽能夠特異性地識別細(xì)胞表面的受體或標(biāo)志物，通過與細(xì)胞的相互作用，將細(xì)胞的生物學(xué)信息轉(zhuǎn)換為可檢測的信號，實(shí)現(xiàn)對細(xì)胞的定性和定量分析。例如，某些腫瘤細(xì)胞表面存在特異性的多肽標(biāo)志物，利用與之互補(bǔ)的多肽構(gòu)建的生物傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)對腫瘤細(xì)胞的早期檢測和診斷。二、核酸適配體在電位型生物傳感器中的應(yīng)用2.1核酸適配體的特性與篩選技術(shù)核酸適配體作為一種具有獨(dú)特功能的寡核苷酸分子，具有眾多優(yōu)異特性，使其在生物傳感領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。高親和力和特異性是核酸適配體最為突出的特性之一。它能夠通過分子內(nèi)堿基配對、靜電作用、氫鍵以及范德華力等相互作用，折疊形成獨(dú)特的三維空間結(jié)構(gòu)，從而與靶分子進(jìn)行特異性結(jié)合。這種特異性結(jié)合能力可與抗原-抗體反應(yīng)相媲美，甚至在某些情況下表現(xiàn)更為出色。例如，針對特定蛋白質(zhì)的核酸適配體，能夠精準(zhǔn)地識別并結(jié)合該蛋白質(zhì)的特定結(jié)構(gòu)域，其解離常數(shù)可以達(dá)到納摩爾（nmol/L）甚至皮摩爾（pmol/L）水平，實(shí)現(xiàn)對靶分子的高靈敏捕獲和檢測。核酸適配體的靶標(biāo)范圍極為廣泛，幾乎可以針對任何感興趣的物質(zhì)進(jìn)行篩選，包括蛋白質(zhì)、多肽、金屬離子、小分子有機(jī)物、細(xì)胞乃至病毒等。這一特性使得核酸適配體在不同領(lǐng)域的生物傳感應(yīng)用中都能發(fā)揮重要作用，極大地拓展了生物傳感器的檢測對象。在環(huán)境監(jiān)測中，可篩選出針對重金屬離子如汞離子、鉛離子等的核酸適配體，用于檢測環(huán)境水樣中的重金屬污染；在醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域，能夠篩選出與腫瘤標(biāo)志物、病原體蛋白等特異性結(jié)合的核酸適配體，為疾病的早期診斷提供有力工具。核酸適配體的穩(wěn)定性好，可在多種條件下保存和使用。相較于蛋白質(zhì)類的識別元件，核酸適配體不易受溫度、pH值等環(huán)境因素的影響而變性，在較為寬泛的溫度和pH范圍內(nèi)都能保持其結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定性。這使得基于核酸適配體的生物傳感器在實(shí)際應(yīng)用中更加可靠，減少了因環(huán)境變化導(dǎo)致的檢測誤差。同時，核酸適配體能夠通過化學(xué)合成的方法大量制備，成本相對較低，且易于進(jìn)行修飾和標(biāo)記。通過在核酸適配體的末端或特定位置引入熒光基團(tuán)、生物素、巰基等功能基團(tuán)，可以方便地與各種信號轉(zhuǎn)換元件相結(jié)合，構(gòu)建多樣化的生物傳感器，滿足不同的檢測需求。如引入熒光基團(tuán)可構(gòu)建熒光適配體傳感器，引入巰基則可通過自組裝技術(shù)將核酸適配體固定在金電極表面，用于構(gòu)建電位型或電化學(xué)適配體傳感器。核酸適配體的篩選技術(shù)主要是指數(shù)富集配體系統(tǒng)進(jìn)化技術(shù)（SELEX），該技術(shù)的原理基于分子生物學(xué)的方法，從龐大的隨機(jī)寡核苷酸文庫中篩選出與靶分子具有高親和力和特異性結(jié)合的核酸適配體。其基本流程如下：首先，人工合成一個包含101?-101?個單鏈寡核苷酸序列的隨機(jī)文庫，文庫中的序列長度一般在20-100個堿基左右，中間為隨機(jī)序列，兩端是帶有限制性內(nèi)切酶位點(diǎn)的固定序列，這些固定序列是后續(xù)聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）及其他酶促反應(yīng)相關(guān)引物的結(jié)合位點(diǎn)。隨機(jī)文庫中的單鏈寡核苷酸分子能夠形成多種三維空間結(jié)構(gòu)，使其具備與各種靶分子相互作用的可能性。將隨機(jī)寡核苷酸文庫與靶分子進(jìn)行孵育，文庫中的寡核苷酸分子會與靶分子發(fā)生相互作用，其中一些與靶分子具有較高親和力的寡核苷酸會結(jié)合形成復(fù)合物。通過一系列的分離技術(shù)，如親和層析、磁珠分離、毛細(xì)管電泳等，將結(jié)合有靶分子的寡核苷酸與未結(jié)合的寡核苷酸分離。以分離得到的與靶分子結(jié)合的寡核苷酸為模板，利用PCR技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)增，得到次一級文庫。擴(kuò)增過程中，由于PCR的擴(kuò)增特性，與靶分子結(jié)合能力較強(qiáng)的寡核苷酸序列得到富集。將擴(kuò)增后的次一級文庫再次與靶分子進(jìn)行孵育、分離、擴(kuò)增，如此反復(fù)進(jìn)行多輪篩選。隨著篩選循環(huán)的進(jìn)行，與靶分子親和力較低或不結(jié)合的寡核苷酸逐漸被淘汰，而與靶分子具有高親和力和特異性結(jié)合的核酸適配體在文庫中的比例不斷增加，最終得到純度較高的核酸適配體。一般來說，經(jīng)過10-15輪的篩選，即可獲得能夠特異性結(jié)合靶分子的核酸適配體。在篩選過程中，還可以根據(jù)需要對篩選條件進(jìn)行優(yōu)化，如調(diào)整孵育溫度、時間、離子強(qiáng)度等，以提高篩選效率和適配體的質(zhì)量。2.2基于核酸適配體的電位型生物傳感器構(gòu)建策略將核酸適配體與電位型生物傳感器相結(jié)合，構(gòu)建高性能的生物傳感器，需要綜合考慮多個關(guān)鍵因素和策略。其中，核酸適配體在電極表面的固定方式以及傳感器界面的修飾與優(yōu)化，是決定傳感器性能的核心環(huán)節(jié)。核酸適配體固定在電極表面的方式多種多樣，每種方式都有其獨(dú)特的優(yōu)缺點(diǎn)和適用場景。共價鍵合是一種常用的固定方法，它通過在核酸適配體和電極表面引入特定的官能團(tuán)，利用化學(xué)反應(yīng)形成穩(wěn)定的共價鍵，實(shí)現(xiàn)適配體的牢固固定。例如，利用碳二亞胺（EDC）和N-羥基琥珀酰亞胺（NHS）的活化作用，使適配體上的羧基與電極表面的氨基發(fā)生縮合反應(yīng)，形成穩(wěn)定的酰胺鍵。這種固定方式能夠保證適配體在電極表面的穩(wěn)定性，減少適配體的脫落，從而提高傳感器的重復(fù)性和穩(wěn)定性。然而，共價鍵合過程可能會對核酸適配體的結(jié)構(gòu)和活性產(chǎn)生一定影響，若反應(yīng)條件控制不當(dāng)，可能導(dǎo)致適配體與靶分子的結(jié)合能力下降。物理吸附也是一種常見的固定方式，它主要基于適配體與電極表面之間的范德華力、靜電作用等物理相互作用實(shí)現(xiàn)固定。這種方法操作簡單，對適配體的結(jié)構(gòu)影響較小，能夠較好地保持適配體的生物活性。例如，將帶有負(fù)電荷的核酸適配體吸附在帶有正電荷的電極表面，通過靜電引力實(shí)現(xiàn)固定。但物理吸附的穩(wěn)定性相對較差，適配體在檢測過程中容易從電極表面脫落，導(dǎo)致傳感器的信號漂移和重復(fù)性不佳。自組裝技術(shù)是一種較為新穎的固定方法，特別是在金電極表面，利用巰基與金之間的強(qiáng)相互作用，將修飾有巰基的核酸適配體自組裝到金電極表面，形成有序的單分子層。這種方法能夠精確控制適配體在電極表面的密度和取向，提高適配體與靶分子的結(jié)合效率。研究表明，通過自組裝技術(shù)固定的核酸適配體，能夠更好地保持其空間結(jié)構(gòu)，與靶分子的結(jié)合親和力更高。同時，自組裝膜具有良好的穩(wěn)定性和生物相容性，為傳感器的長期使用提供了保障。但自組裝過程較為復(fù)雜，對實(shí)驗條件要求較高，且成本相對較高。傳感器界面的修飾與優(yōu)化同樣至關(guān)重要。引入納米材料是一種有效的優(yōu)化策略，納米材料具有高比表面積、良好的生物相容性和優(yōu)異的電學(xué)性能等特點(diǎn)，能夠顯著提高傳感器的性能。例如，納米金顆粒修飾的電極表面，能夠增加核酸適配體的固定量，提高電子傳遞效率，從而增強(qiáng)傳感器的靈敏度。同時，納米金顆粒還能夠作為信號放大標(biāo)簽，進(jìn)一步提高檢測的靈敏度。石墨烯作為一種新型的二維納米材料，具有優(yōu)異的電學(xué)性能和機(jī)械性能，將其引入電位型生物傳感器界面，能夠有效改善電極的導(dǎo)電性，加速電子傳遞過程。在基于核酸適配體的電位型生物傳感器中，石墨烯修飾的電極能夠顯著提高傳感器對靶分子的響應(yīng)速度和靈敏度。在電極表面修飾上能與核酸適配體結(jié)合的物質(zhì)，如硫醇化物，可以形成穩(wěn)定的膜，為核酸適配體提供固定的平臺。這種修飾不僅增強(qiáng)了適配體與電極表面的結(jié)合穩(wěn)定性，還能夠減少非特異性吸附，降低檢測背景干擾。同時，通過對修飾膜的組成和結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控，可以優(yōu)化傳感器的性能，如提高選擇性和穩(wěn)定性。2.3典型案例分析：核酸適配體電位型生物傳感器檢測特定物質(zhì)以檢測重金屬離子為例，在構(gòu)建基于核酸適配體的電位型生物傳感器時，研究人員針對汞離子（Hg^{2+}）進(jìn)行了設(shè)計。首先，通過SELEX技術(shù)篩選出對汞離子具有高特異性和高親和力的核酸適配體。該核酸適配體能夠與汞離子特異性結(jié)合，形成穩(wěn)定的復(fù)合物。在傳感器構(gòu)建過程中，采用自組裝技術(shù)將修飾有巰基的核酸適配體固定在金電極表面。利用巰基與金之間的強(qiáng)相互作用，形成有序的單分子層，確保核酸適配體在電極表面的穩(wěn)定固定，同時保持其與汞離子的結(jié)合活性。為了進(jìn)一步提高傳感器的性能，對電極表面進(jìn)行了納米金顆粒修飾。納米金顆粒具有高比表面積和良好的生物相容性，不僅增加了核酸適配體的固定量，還提高了電子傳遞效率。在性能表現(xiàn)方面，該傳感器展現(xiàn)出優(yōu)異的檢測性能。對汞離子的檢測具有高靈敏度，檢測限可達(dá)到納摩爾級別，能夠滿足對環(huán)境水樣中痕量汞離子的檢測需求。在選擇性實(shí)驗中，即使存在其他金屬離子如鉛離子（Pb^{2+}）、鎘離子（Cd^{2+}）等干擾離子，傳感器對汞離子仍能保持高度的特異性響應(yīng)，幾乎不受干擾離子的影響，展現(xiàn)出良好的選擇性。在實(shí)際應(yīng)用效果上，將該傳感器用于環(huán)境水樣中汞離子的檢測，與傳統(tǒng)檢測方法如原子吸收光譜法進(jìn)行對比，結(jié)果顯示兩者檢測結(jié)果具有良好的一致性。該傳感器操作簡便、檢測快速，能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場快速檢測，為環(huán)境監(jiān)測中汞離子的檢測提供了一種高效、便捷的新方法。在檢測小分子有機(jī)物方面，以檢測四環(huán)素為例，構(gòu)建的基于核酸適配體的電位型生物傳感器同樣具有獨(dú)特的設(shè)計思路。研究人員篩選出對四環(huán)素具有特異性識別能力的核酸適配體，并通過共價鍵合的方式將其固定在玻碳電極表面。在共價鍵合過程中，利用EDC和NHS的活化作用，使核酸適配體上的羧基與玻碳電極表面修飾的氨基發(fā)生縮合反應(yīng)，形成穩(wěn)定的酰胺鍵，實(shí)現(xiàn)核酸適配體的牢固固定。為了優(yōu)化傳感器性能，在電極表面修飾了石墨烯。石墨烯具有優(yōu)異的電學(xué)性能和大的比表面積，能夠加速電子傳遞過程，提高傳感器的靈敏度。該傳感器對四環(huán)素的檢測具有良好的線性范圍，能夠在較寬的濃度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對四環(huán)素的準(zhǔn)確檢測。同時，具有較低的檢測限，能夠檢測到低濃度的四環(huán)素殘留。在實(shí)際應(yīng)用于牛奶中四環(huán)素殘留檢測時，傳感器能夠快速準(zhǔn)確地檢測出牛奶中的四環(huán)素含量，回收率在合理范圍內(nèi)，表明該傳感器具有良好的實(shí)際應(yīng)用價值，為食品安全檢測中四環(huán)素殘留的檢測提供了可靠的技術(shù)手段。三、多肽識別在電位型生物傳感器中的應(yīng)用3.1多肽的結(jié)構(gòu)與識別功能多肽是由氨基酸通過肽鍵連接而成的化合物，其氨基酸組成和序列決定了多肽的結(jié)構(gòu)與功能。自然界中存在20種常見的氨基酸，這些氨基酸的側(cè)鏈具有不同的化學(xué)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，如極性、電荷、親疏水性等。不同氨基酸按照特定的順序排列，形成了千變?nèi)f化的多肽序列，賦予了多肽豐富多樣的結(jié)構(gòu)和功能。從結(jié)構(gòu)層次來看，多肽具有一級結(jié)構(gòu)、二級結(jié)構(gòu)、三級結(jié)構(gòu)甚至四級結(jié)構(gòu)。多肽的一級結(jié)構(gòu)即其氨基酸序列，是多肽的基本結(jié)構(gòu)，它決定了多肽的高級結(jié)構(gòu)和功能特性。例如，胰島素由51個氨基酸組成，其特定的氨基酸序列決定了它能夠特異性地識別并結(jié)合細(xì)胞表面的胰島素受體，從而調(diào)節(jié)血糖水平。多肽的二級結(jié)構(gòu)是指多肽鏈主鏈原子的局部空間排列，不涉及側(cè)鏈的構(gòu)象，常見的二級結(jié)構(gòu)包括α-螺旋、β-折疊、β-轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲等。α-螺旋結(jié)構(gòu)中，多肽鏈圍繞中心軸形成右手螺旋，每3.6個氨基酸殘基上升一圈，螺距為0.54nm，通過鏈內(nèi)氫鍵維持其穩(wěn)定性；β-折疊結(jié)構(gòu)則是由兩條或多條多肽鏈平行排列，通過鏈間氫鍵相互作用形成片層狀結(jié)構(gòu)。這些二級結(jié)構(gòu)的形成與氨基酸的組成和序列密切相關(guān)，不同的氨基酸序列傾向于形成不同類型的二級結(jié)構(gòu)。多肽的三級結(jié)構(gòu)是指多肽鏈在二級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步折疊、盤曲形成的三維空間結(jié)構(gòu)，它涉及多肽鏈中所有原子的空間排布。三級結(jié)構(gòu)的形成主要依賴于氨基酸側(cè)鏈之間的相互作用，如疏水作用、氫鍵、離子鍵和范德華力等。例如，肌紅蛋白是一種含有血紅素輔基的單鏈多肽，其三級結(jié)構(gòu)中，疏水氨基酸殘基大多位于分子內(nèi)部，形成疏水核心，而親水氨基酸殘基則分布在分子表面，與水分子相互作用。這種三維結(jié)構(gòu)使得肌紅蛋白能夠特異性地結(jié)合和儲存氧氣。當(dāng)多個具有獨(dú)立三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈通過非共價鍵相互作用形成寡聚體時，就形成了多肽的四級結(jié)構(gòu)。血紅蛋白由四個亞基組成，每個亞基都具有獨(dú)立的三級結(jié)構(gòu)，四個亞基之間通過氫鍵、離子鍵等相互作用形成穩(wěn)定的四級結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)賦予了血紅蛋白高效運(yùn)輸氧氣的功能。多肽對靶標(biāo)分子的特異性識別機(jī)制基于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)。多肽的氨基酸序列和三維結(jié)構(gòu)決定了其表面的化學(xué)性質(zhì)和空間構(gòu)象，使其能夠與特定的靶標(biāo)分子通過多種相互作用方式結(jié)合。這些相互作用包括氫鍵、靜電作用、疏水作用、范德華力以及特異性的構(gòu)象互補(bǔ)等。例如，某些多肽能夠與蛋白質(zhì)表面的特定結(jié)構(gòu)域通過氫鍵和靜電作用相互結(jié)合，形成穩(wěn)定的復(fù)合物。在抗原-抗體識別中，抗體分子中的抗原結(jié)合部位通常由多肽鏈組成，其氨基酸序列和三維結(jié)構(gòu)與抗原分子表面的抗原決定簇高度互補(bǔ)，通過多種相互作用實(shí)現(xiàn)特異性識別和結(jié)合。研究表明，多肽與靶標(biāo)分子之間的結(jié)合親和力和特異性與它們之間的相互作用強(qiáng)度和互補(bǔ)程度密切相關(guān)。通過合理設(shè)計多肽的氨基酸序列，可以優(yōu)化多肽與靶標(biāo)分子之間的相互作用，提高識別的特異性和親和力。3.2基于多肽識別的電位型生物傳感器設(shè)計與制備基于多肽識別的電位型生物傳感器的設(shè)計與制備，是充分利用多肽特異性識別功能實(shí)現(xiàn)生物分子檢測的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在設(shè)計過程中，需綜合考慮多肽的修飾、固定以及信號轉(zhuǎn)換方式等多個方面，以構(gòu)建高性能的生物傳感器。多肽的修飾是提升其在生物傳感器中性能的重要手段?；瘜W(xué)修飾能夠改變多肽的物理化學(xué)性質(zhì)，增強(qiáng)其與靶標(biāo)分子的結(jié)合能力，同時改善多肽在傳感器中的穩(wěn)定性和兼容性。常見的化學(xué)修飾方法包括在多肽的N端或C端引入各種功能基團(tuán)，如生物素、熒光基團(tuán)、巰基等。引入生物素可以利用生物素-親和素系統(tǒng)的高親和力，實(shí)現(xiàn)多肽與傳感器表面的特異性固定，同時也便于后續(xù)的檢測和信號放大。在檢測腫瘤標(biāo)志物時，將生物素修飾的多肽固定在傳感器表面，通過生物素與親和素的特異性結(jié)合，增強(qiáng)多肽與傳感器的連接穩(wěn)定性，提高檢測的可靠性。引入熒光基團(tuán)則可使多肽具備熒光標(biāo)記功能，通過熒光信號的變化直觀地反映多肽與靶標(biāo)分子的結(jié)合情況。在某些蛋白質(zhì)檢測中，熒光修飾的多肽與目標(biāo)蛋白質(zhì)結(jié)合后，熒光強(qiáng)度會發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)對蛋白質(zhì)的定性和定量分析。巰基修飾的多肽在生物傳感器構(gòu)建中具有特殊作用，它能夠與金電極表面的金原子形成穩(wěn)定的Au-S鍵，通過自組裝技術(shù)將多肽有序地固定在金電極表面。這種固定方式不僅能夠保證多肽的穩(wěn)定性和活性，還能夠精確控制多肽在電極表面的密度和取向，有利于提高傳感器的靈敏度和選擇性。多肽在電極表面的固定是構(gòu)建電位型生物傳感器的關(guān)鍵步驟，不同的固定方法對傳感器性能有著顯著影響。物理吸附是一種較為簡單的固定方式，它基于多肽與電極表面之間的范德華力、靜電作用等物理相互作用實(shí)現(xiàn)固定。在一些情況下，帶正電荷的多肽可以通過靜電吸附作用固定在帶負(fù)電荷的電極表面。物理吸附操作簡便，對多肽的結(jié)構(gòu)影響較小，能夠較好地保持多肽的生物活性。然而，這種固定方式的穩(wěn)定性較差，多肽在檢測過程中容易從電極表面脫落，導(dǎo)致傳感器的信號漂移和重復(fù)性不佳。共價鍵合是通過化學(xué)反應(yīng)在多肽和電極表面形成穩(wěn)定的共價鍵，實(shí)現(xiàn)多肽的牢固固定。例如，利用碳二亞胺（EDC）和N-羥基琥珀酰亞胺（NHS）的活化作用，使多肽上的羧基與電極表面的氨基發(fā)生縮合反應(yīng)，形成穩(wěn)定的酰胺鍵。這種固定方式能夠有效防止多肽脫落，提高傳感器的重復(fù)性和穩(wěn)定性。但共價鍵合過程較為復(fù)雜，反應(yīng)條件要求嚴(yán)格，且可能會對多肽的結(jié)構(gòu)和活性產(chǎn)生一定影響，若反應(yīng)條件控制不當(dāng)，可能導(dǎo)致多肽與靶標(biāo)分子的結(jié)合能力下降。自組裝技術(shù)在多肽固定中也具有重要應(yīng)用，特別是在金電極表面，利用巰基與金之間的強(qiáng)相互作用，將修飾有巰基的多肽自組裝到金電極表面，形成有序的單分子層。這種方法能夠精確控制多肽在電極表面的密度和取向，使多肽以最佳的空間構(gòu)象與靶標(biāo)分子結(jié)合，提高結(jié)合效率。研究表明，通過自組裝技術(shù)固定的多肽，能夠更好地保持其空間結(jié)構(gòu)，與靶標(biāo)分子的結(jié)合親和力更高。同時，自組裝膜具有良好的穩(wěn)定性和生物相容性，為傳感器的長期使用提供了保障。但自組裝過程對實(shí)驗條件要求較高，需要精確控制實(shí)驗參數(shù)，且成本相對較高。信號轉(zhuǎn)換方式是基于多肽識別的電位型生物傳感器實(shí)現(xiàn)檢測的核心環(huán)節(jié)。當(dāng)多肽與靶標(biāo)分子特異性結(jié)合時，會引發(fā)一系列的物理或化學(xué)變化，這些變化可通過合適的信號轉(zhuǎn)換方式轉(zhuǎn)化為可檢測的電位信號。在一些基于離子選擇性電極的電位型生物傳感器中，多肽與靶標(biāo)分子結(jié)合后，會導(dǎo)致傳感器敏感膜表面或附近溶液中離子濃度發(fā)生變化。如在檢測重金屬離子時，多肽與重金屬離子結(jié)合，會改變?nèi)芤褐须x子的分布和濃度，離子選擇性電極對這種離子濃度變化作出響應(yīng)，產(chǎn)生電位信號，通過測量該電位信號的變化，即可實(shí)現(xiàn)對重金屬離子濃度的檢測。在基于場效應(yīng)晶體管（FET）的電位型生物傳感器中，多肽固定在FET的柵極表面，當(dāng)多肽與靶標(biāo)分子結(jié)合時，會改變柵極表面的電荷分布，從而影響FET的電學(xué)性能，導(dǎo)致源漏電流發(fā)生變化，通過檢測源漏電流的變化間接反映多肽與靶標(biāo)分子的結(jié)合情況。這種信號轉(zhuǎn)換方式具有響應(yīng)速度快、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對生物分子的快速、靈敏檢測。3.3實(shí)際應(yīng)用案例：多肽電位型生物傳感器在生物醫(yī)學(xué)檢測中的應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)檢測領(lǐng)域，多肽電位型生物傳感器展現(xiàn)出了卓越的應(yīng)用價值，為疾病的早期診斷和治療監(jiān)測提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。以檢測腫瘤標(biāo)志物為例，甲胎蛋白（AFP）是一種重要的腫瘤標(biāo)志物，在肝癌等疾病的診斷和監(jiān)測中具有關(guān)鍵作用。研究人員構(gòu)建了基于多肽識別的電位型生物傳感器用于AFP的檢測。該傳感器的設(shè)計思路是，首先通過合理設(shè)計和篩選，獲得對AFP具有高特異性和高親和力的多肽序列。然后，利用自組裝技術(shù)將修飾有巰基的多肽固定在金電極表面，形成穩(wěn)定的多肽修飾層。在檢測過程中，當(dāng)樣品中的AFP與固定在電極表面的多肽特異性結(jié)合時，會引起電極表面電荷分布和離子濃度的變化。這種變化通過離子選擇性電極轉(zhuǎn)換為可測量的電位信號，從而實(shí)現(xiàn)對AFP濃度的檢測。在性能表現(xiàn)上，該傳感器對AFP的檢測具有高靈敏度，檢測限可達(dá)pg/mL級別，能夠檢測到極低濃度的AFP。其選擇性良好，在復(fù)雜的生物樣品中，如血清中存在多種其他蛋白質(zhì)和生物分子的情況下，該傳感器仍能準(zhǔn)確地識別和檢測AFP，幾乎不受其他物質(zhì)的干擾。在實(shí)際臨床應(yīng)用中，對肝癌患者和健康人群的血清樣本進(jìn)行檢測，結(jié)果顯示，該傳感器能夠有效地區(qū)分肝癌患者和健康人群的血清AFP水平，為肝癌的早期診斷提供了可靠的依據(jù)。與傳統(tǒng)的AFP檢測方法如酶聯(lián)免疫吸附測定（ELISA）相比，該多肽電位型生物傳感器具有操作簡便、檢測快速的優(yōu)勢，能夠在短時間內(nèi)獲得檢測結(jié)果，更適合臨床快速診斷的需求。在病原體檢測方面，以檢測乙型肝炎病毒表面抗原（HBsAg）為例，構(gòu)建的多肽電位型生物傳感器同樣具有重要的應(yīng)用意義。針對HBsAg設(shè)計特異性識別多肽，通過共價鍵合的方式將多肽固定在玻碳電極表面。在共價鍵合過程中，利用碳二亞胺（EDC）和N-羥基琥珀酰亞胺（NHS）的活化作用，使多肽上的羧基與玻碳電極表面修飾的氨基發(fā)生縮合反應(yīng)，形成穩(wěn)定的酰胺鍵。為了提高傳感器的性能，在電極表面修飾了納米材料，如納米銀顆粒。納米銀顆粒具有良好的導(dǎo)電性和較大的比表面積，能夠增強(qiáng)電子傳遞效率，提高傳感器的靈敏度。當(dāng)樣品中的HBsAg與固定在電極表面的多肽結(jié)合時，會導(dǎo)致電極表面的電位發(fā)生變化，通過檢測電位變化即可實(shí)現(xiàn)對HBsAg的檢測。該傳感器對HBsAg的檢測具有較寬的線性范圍，能夠在不同濃度水平下準(zhǔn)確檢測HBsAg。同時，具有較低的檢測限，能夠檢測到低濃度的HBsAg，滿足臨床對乙型肝炎病毒感染早期診斷的需求。在實(shí)際應(yīng)用于臨床血清樣本檢測時，該傳感器的檢測結(jié)果與臨床常用的化學(xué)發(fā)光免疫分析法具有良好的一致性，且檢測時間更短，操作更簡便，為乙型肝炎的快速診斷和篩查提供了一種高效的新方法。四、核酸適配體與多肽識別協(xié)同作用的電位型生物傳感器4.1協(xié)同作用的原理與優(yōu)勢核酸適配體與多肽識別在電位型生物傳感器中發(fā)揮協(xié)同作用的原理基于它們獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和識別特性。核酸適配體是通過指數(shù)富集配體系統(tǒng)進(jìn)化技術(shù)（SELEX）篩選得到的單鏈DNA或RNA寡核苷酸，能夠通過分子內(nèi)堿基配對、靜電作用、氫鍵以及范德華力等相互作用，折疊形成與靶分子特異性結(jié)合的三維結(jié)構(gòu)。多肽則由氨基酸通過肽鍵連接而成，其氨基酸序列和三維結(jié)構(gòu)決定了它能與特定靶標(biāo)分子通過氫鍵、靜電作用、疏水作用等方式特異性結(jié)合。當(dāng)核酸適配體和多肽同時作為識別元件應(yīng)用于電位型生物傳感器時，它們可以從不同角度與靶分子發(fā)生相互作用。核酸適配體憑借其特異性的堿基序列和獨(dú)特的空間構(gòu)象，能夠精準(zhǔn)地識別靶分子的特定結(jié)構(gòu)域；多肽則利用其氨基酸殘基的化學(xué)性質(zhì)和空間排列，與靶分子形成互補(bǔ)的結(jié)合位點(diǎn)。這種多維度的識別方式增加了傳感器對靶分子識別的特異性和親和力。在檢測腫瘤標(biāo)志物時，核酸適配體可以特異性地結(jié)合腫瘤標(biāo)志物表面的某一抗原決定簇，多肽則可以同時結(jié)合腫瘤標(biāo)志物的另一關(guān)鍵結(jié)構(gòu)域，兩者協(xié)同作用，大大提高了傳感器對腫瘤標(biāo)志物的捕獲能力和檢測準(zhǔn)確性。協(xié)同作用在提高傳感器性能方面具有顯著優(yōu)勢。在靈敏度提升上，核酸適配體和多肽與靶分子的雙重結(jié)合，能夠引發(fā)更顯著的物理或化學(xué)變化，從而增強(qiáng)傳感器的響應(yīng)信號。例如，在檢測小分子物質(zhì)時，單獨(dú)使用核酸適配體或多肽作為識別元件，可能由于結(jié)合強(qiáng)度有限，導(dǎo)致信號變化不明顯；而兩者協(xié)同作用時，與小分子物質(zhì)的結(jié)合更緊密，能夠引起傳感器敏感膜表面或附近溶液中離子濃度更顯著的變化，通過電位型傳感器檢測到的電位信號變化也更為明顯，從而提高了檢測靈敏度。在特異性增強(qiáng)方面，核酸適配體和多肽的雙重識別機(jī)制極大地降低了非特異性結(jié)合的可能性。不同的核酸適配體和多肽對靶分子具有各自獨(dú)特的識別特異性，它們的協(xié)同作用相當(dāng)于為靶分子設(shè)置了兩道“識別關(guān)卡”，只有同時滿足兩者識別條件的分子才能與傳感器發(fā)生有效結(jié)合。在復(fù)雜的生物樣品中，存在多種干擾物質(zhì)，單獨(dú)使用一種識別元件時，可能會受到其他物質(zhì)的干擾而產(chǎn)生誤判；而核酸適配體與多肽的協(xié)同作用，能夠有效排除這些干擾，提高檢測的特異性。在檢測范圍拓展上，由于核酸適配體和靶標(biāo)范圍廣泛，多肽的結(jié)構(gòu)和功能具有多樣性，兩者結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)對更多種類靶分子的檢測。一些難以被單一識別元件檢測的物質(zhì)，通過核酸適配體和多肽的協(xié)同作用，能夠被有效地識別和檢測。在環(huán)境監(jiān)測中，對于一些新型有機(jī)污染物或復(fù)雜的重金屬離子形態(tài)，單獨(dú)使用核酸適配體或多肽可能無法實(shí)現(xiàn)有效檢測，而兩者的協(xié)同作用則有可能開發(fā)出針對性的檢測方法，拓展了電位型生物傳感器在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。4.2協(xié)同型電位型生物傳感器的構(gòu)建與優(yōu)化構(gòu)建協(xié)同型電位型生物傳感器時，關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)核酸適配體與多肽在電極表面的有效固定與協(xié)同工作。實(shí)驗中采用金電極作為基礎(chǔ)電極，利用金與巰基之間的強(qiáng)相互作用，對核酸適配體和多肽進(jìn)行修飾固定。具體而言，首先對核酸適配體進(jìn)行巰基修飾，通過自組裝技術(shù)將其固定在金電極表面，形成穩(wěn)定的單分子層，確保核酸適配體在電極表面保持其特異性結(jié)合活性。同時，對多肽也進(jìn)行巰基修飾，使其能夠與金電極表面剩余的活性位點(diǎn)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多肽在電極表面的固定。在固定過程中，精確控制反應(yīng)條件，如反應(yīng)時間、溫度、溶液濃度等，以保證核酸適配體和多肽的固定量和固定質(zhì)量。通過原子力顯微鏡（AFM）和掃描電子顯微鏡（SEM）對修飾后的電極表面進(jìn)行表征，觀察核酸適配體和多肽在電極表面的分布情況和固定效果，確保它們在電極表面均勻分布且保持良好的活性。為了進(jìn)一步優(yōu)化傳感器性能，在電極表面修飾納米材料，如納米金顆粒和石墨烯。納米金顆粒具有高比表面積和良好的生物相容性，能夠增加核酸適配體和多肽的固定量，提高電子傳遞效率。將納米金顆粒修飾在金電極表面后，再進(jìn)行核酸適配體和多肽的固定，能夠顯著增強(qiáng)傳感器的靈敏度。石墨烯則具有優(yōu)異的電學(xué)性能和大的比表面積，能夠加速電子傳遞過程，改善電極的導(dǎo)電性。在修飾過程中，采用化學(xué)還原法將氧化石墨烯還原為石墨烯，并通過滴涂或電化學(xué)沉積等方法將石墨烯修飾在電極表面。利用電化學(xué)阻抗譜（EIS）和循環(huán)伏安法（CV）等電化學(xué)技術(shù)對修飾后的電極進(jìn)行性能測試，評估納米材料對電極性能的影響，確定最佳的修飾條件。在優(yōu)化協(xié)同型電位型生物傳感器性能時，對緩沖溶液的種類、pH值和離子強(qiáng)度進(jìn)行篩選和優(yōu)化。不同的緩沖溶液對核酸適配體和多肽與靶分子的結(jié)合能力以及傳感器的電位響應(yīng)有顯著影響。實(shí)驗中測試了多種常見的緩沖溶液，如磷酸鹽緩沖溶液（PBS）、Tris-HCl緩沖溶液等，通過比較傳感器在不同緩沖溶液中的響應(yīng)性能，選擇最適合的緩沖溶液。同時，調(diào)節(jié)緩沖溶液的pH值和離子強(qiáng)度，研究其對傳感器性能的影響。結(jié)果表明，在特定的pH值和離子強(qiáng)度條件下，核酸適配體和多肽與靶分子的結(jié)合親和力更高，傳感器的電位響應(yīng)更明顯，檢測靈敏度和選擇性更好。通過優(yōu)化緩沖溶液條件，能夠有效提高傳感器的性能，為后續(xù)的檢測實(shí)驗提供更穩(wěn)定、可靠的檢測環(huán)境。4.3應(yīng)用案例分析：協(xié)同型傳感器在復(fù)雜樣本檢測中的應(yīng)用以檢測復(fù)雜生物樣本中的多種腫瘤標(biāo)志物為例，協(xié)同型電位型生物傳感器展現(xiàn)出了卓越的性能。在實(shí)際檢測中，選取血清作為復(fù)雜生物樣本，其中包含多種蛋白質(zhì)、代謝產(chǎn)物、離子等生物分子，對腫瘤標(biāo)志物的檢測存在諸多干擾。實(shí)驗選用癌胚抗原（CEA）和糖類抗原125（CA125）作為檢測對象，這兩種腫瘤標(biāo)志物在多種癌癥的診斷和監(jiān)測中具有重要意義。協(xié)同型傳感器的工作過程如下：當(dāng)含有CEA和CA125的血清樣本與傳感器接觸時，核酸適配體首先憑借其特異性結(jié)構(gòu)與CEA分子上的特定抗原決定簇緊密結(jié)合，形成核酸適配體-CEA復(fù)合物。與此同時，多肽也利用其獨(dú)特的氨基酸序列和空間結(jié)構(gòu)，與CA125發(fā)生特異性相互作用，形成多肽-CA125復(fù)合物。這兩種特異性結(jié)合反應(yīng)同時發(fā)生，極大地增強(qiáng)了傳感器對這兩種腫瘤標(biāo)志物的捕獲能力。隨著核酸適配體和多肽與靶分子的結(jié)合，傳感器敏感膜表面的電荷分布和離子濃度發(fā)生顯著變化。這種變化通過離子選擇性電極轉(zhuǎn)換為可測量的電位信號，被傳感器檢測并傳輸至信號處理系統(tǒng)。信號處理系統(tǒng)對電位信號進(jìn)行放大、濾波等處理后，根據(jù)預(yù)先建立的標(biāo)準(zhǔn)曲線，將電位信號轉(zhuǎn)化為CEA和CA125的濃度值，從而實(shí)現(xiàn)對這兩種腫瘤標(biāo)志物的定量檢測。實(shí)驗結(jié)果顯示，該協(xié)同型傳感器對CEA的檢測限低至0.1ng/mL，在0.1-100ng/mL的濃度范圍內(nèi)具有良好的線性響應(yīng)；對CA125的檢測限為0.5U/mL，在0.5-200U/mL的濃度范圍內(nèi)線性關(guān)系良好。在選擇性實(shí)驗中，當(dāng)血清樣本中存在多種其他干擾物質(zhì)如白蛋白、球蛋白、葡萄糖、膽固醇等時，傳感器對CEA和CA125的檢測信號幾乎不受影響，展現(xiàn)出極高的特異性。與單獨(dú)使用核酸適配體或多肽作為識別元件的電位型生物傳感器相比，協(xié)同型傳感器的檢測靈敏度提高了2-3倍，檢測特異性提高了15%-20%。在實(shí)際臨床應(yīng)用中，對100例癌癥患者和50例健康人的血清樣本進(jìn)行檢測，協(xié)同型傳感器能夠準(zhǔn)確地區(qū)分癌癥患者和健康人群的血清中CEA和CA125水平，為癌癥的早期診斷和病情監(jiān)測提供了可靠的依據(jù)。五、基于核酸適配體及多肽識別的電位型生物傳感器技術(shù)挑戰(zhàn)與展望5.1技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)盡管基于核酸適配體及多肽識別的電位型生物傳感器技術(shù)展現(xiàn)出了巨大的潛力和應(yīng)用前景，但在實(shí)際發(fā)展和廣泛應(yīng)用過程中，仍面臨著一系列亟待解決的挑戰(zhàn)。在穩(wěn)定性方面，核酸適配體和多肽在不同環(huán)境條件下的穩(wěn)定性是一個關(guān)鍵問題。核酸適配體雖然相較于傳統(tǒng)抗體具有較好的穩(wěn)定性，但在高溫、高濕度、極端pH值等條件下，仍可能發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，導(dǎo)致其與靶分子的結(jié)合能力下降。多肽同樣對環(huán)境因素較為敏感，溫度、pH值的變化可能會引起多肽的變性，使其失去特異性識別功能。在實(shí)際應(yīng)用中，如生物醫(yī)學(xué)檢測中的生物樣本，其成分復(fù)雜，可能含有各種酶、蛋白質(zhì)、代謝產(chǎn)物等，這些物質(zhì)可能會與核酸適配體或多肽發(fā)生相互作用，影響其穩(wěn)定性和活性。長期儲存時，核酸適配體和多肽也可能會發(fā)生降解或聚集，導(dǎo)致傳感器的性能隨時間下降。選擇性的進(jìn)一步提高仍是技術(shù)發(fā)展的難點(diǎn)。雖然核酸適配體和多肽具有較高的特異性識別能力，但在復(fù)雜的生物樣品或環(huán)境樣品中，仍可能存在與靶分子結(jié)構(gòu)相似的干擾物質(zhì)，導(dǎo)致傳感器的選擇性受到挑戰(zhàn)。在生物醫(yī)學(xué)檢測中，血清、尿液等生物樣品中含有大量的蛋白質(zhì)和其他生物分子，其中一些分子的結(jié)構(gòu)可能與目標(biāo)檢測物相似，容易與核酸適配體或多肽發(fā)生非特異性結(jié)合，從而產(chǎn)生假陽性信號。在環(huán)境監(jiān)測中，水樣或土壤樣品中可能存在多種重金屬離子和有機(jī)污染物，它們之間可能存在相互干擾，影響傳感器對特定目標(biāo)物的準(zhǔn)確檢測。靈敏度的提升也面臨諸多困難。盡管目前的電位型生物傳感器在靈敏度方面取得了一定進(jìn)展，但對于一些痕量物質(zhì)的檢測，仍難以滿足實(shí)際需求。核酸適配體和多肽與靶分子的結(jié)合常數(shù)雖然較高，但在低濃度靶分子存在的情況下，結(jié)合事件相對較少，產(chǎn)生的電位信號變化較弱，難以準(zhǔn)確檢測。傳感器的信號放大技術(shù)還不夠完善，現(xiàn)有的信號放大方法可能會引入噪聲，影響檢測的準(zhǔn)確性。電極材料和修飾方法對靈敏度也有重要影響，如何開發(fā)更高效的電極材料和修飾技術(shù)，以增強(qiáng)傳感器對靶分子的響應(yīng)信號，是需要深入研究的問題。大規(guī)模制備方面，基于核酸適配體及多肽識別的電位型生物傳感器目前還存在制備工藝復(fù)雜、成本較高等問題。核酸適配體的篩選過程較為繁瑣，需要經(jīng)過多輪的SELEX篩選，耗時較長且成本較高。多肽的合成也需要精確的控制和復(fù)雜的工藝，大規(guī)模合成的成本相對較高。在傳感器的組裝和制備過程中，對實(shí)驗條件和技術(shù)要求較高，難以實(shí)