长期以来，生物传感器一直被期望成为医学诊断和医疗领域的重要检测和治疗技术。然而，在人体样本的复杂生物环境下，生物传感器的检测性能受到限制。目前，除用于糖尿病监测的血糖仪外，生物传感器的商业化和实际应用很少。为快速、准确检测疾病的生物标志物，研究人员通过各种分子生物技术和纳米技术来提高生物传感器的性能。近年来，适配体作为高亲和性和高特异性的“化学抗体”，受到越来越多的关注。适配体生物传感器的优势是能够很好地模拟含有生物标志物的天然生物界面，可以利用电活性物质在界面处通过构象改变产生的信号变化产生可被捕捉的生物信号。本文对采用适配体纳米技术构建电化学生物传感器的方法，以及生物传感器在疾病生物标志物检测中的应用进行综述。


1生物传感器


生物传感器是用来检测生物标志物并将其转化为可检测的信号的装置，由靶受体和信号转换器2个部分组成。靶受体与生物标志物间的相互作用使信号形成，理想的靶受体应具有高度特异性和选择性，可有效识别和特异性结合生物标志物，达到快速响应和输出信号的目的。


适配体通过被固定在传感器的界面上来捕获溶液中的生物标志物。适配体识别生物标志物后，其电活性物质与电极的构象发生改变，电流响应随电子转移能力的改变发生相应变化，进而定量测定待测物浓度。与溶液中的识别不同，界面处的适配体识别受到待测生物标志物可及性的限制，这些限制对灵敏度、特异性和检测速度造成了影响，需要减少界面的异质性，并克服能量障碍，以改善适配体在生物传感界面处的热力学和动力学反应。以在金电极表面组装巯基适配体为例，适配体的巯基可以与金电极形成Au-S键，并相互作用，使其从溶液中自发吸附到金电极上，然后重组为自组装单层，当Au-S键的自由能低于溶解适配体的溶剂时，即可以形成稳定的自组装单层。


2适配体纳米技术


适配体是一段寡核苷酸序列，利用指数富集进化技术从寡核苷酸的配体库中被筛选出来。与诊断试剂常用的抗体相比，适配体可以识别生物标志物细微的结构差异，且解离常数高，可识别皮摩尔～纳摩尔级生物标志物靶标。功能性适配体可与有机、无机、生物分子结合并发生反应，如蛋白质，氨基酸、金属离子、病毒、细菌、药物、甚至细胞，在疾病诊断和治疗、临床检验和药物开发等方面有着巨大的发展潜力。1980年，JONES等首次提出具有特定序列和结构的寡核苷酸可以用于电极表面的自组装，利用热力学定律可以精确得出适配体的折叠状态和适配体之间的相互作用。由于可以控制适配体的形状和长短，且可被灵活修饰，这种高度灵活的组装能够形成具有特定理化性质和功能的结构。这些优势可以应用在生物传感器的构建上。


3生物传感器组装方式


3.1小分子辅助界面


适配体可以通过非特异性吸附于金电极表面来有效识别标志物。小分子辅助界面可以使适配体垂直定向在界面上，并通过6-巯基己醇、二硫苏糖醇和3-巯基丙酸等分子取代适配体碱基的非特异性吸附，提高其特异性识别能力。由巯基适配体和6-巯基己醇组成的间隔双组分单分子层可以最大限度地减少适配体和金电极的非特异性吸附，提高适配体在金电极界面的识别效率。目前，小分子辅助界面已被广泛应用于提高适配体传感器的识别效率、降低检测限、增强灵敏度。ZHANG等使用适配体/6-巯基己醇混合自组装单层，将表面识别效率提高到了85%，通过将适配体的表面分子密度从1.2×1013个/cm2降低到1.2×1012个/cm2，提高了检测灵敏度，证实了使用6-巯基己醇和巯基适配体形成二元自组装单层有利于提高生物传感器的性能。


3.2多腺嘌呤介导的界面


适配体碱基和金电极相互作用的相关研究结果表明，适配体碱基对金电极的亲和力遵循A>C≥G>T的顺序。腺嘌呤在金电极表面上吸附力很强，结合力可与众所周知的Au-S键相媲美，金元素的存在甚至可以使腺嘌呤和胸腺嘧啶的双链体变性。腺嘌呤与金电极的强结合亲和力在设计不含巯基的适配体中具有很好的应用前景。为了控制适配体的构象和接枝密度，可用腺嘌呤作为锚定基团和密度控制基团，使电极上的适配体密度随着腺嘌呤长度的增加而降低；此外，腺嘌呤可优先与金电极结合，阻止其他材料吸附于金电极，这一特性非常有效地阻止了其他材料的非特异性吸附。