电容型免疫传感器

测定原理
电化学免疫传感器是免疫传感器中研究较早、种类较多的一个分支。它将免疫技术和各种电化学
技术耦联,显著提高了免疫传感器的灵敏度。近十几年来随着相关科学技术的发展,一些新型的电化学
免疫传感器相继涌现。其中电容型免疫传感器便是其中较为引人注目的一种[ 46 ] 。
电容型免疫传感器是以测定界面电容变化作为分析和研究的手段。当电极插入溶液中,电极/溶液
界面的行为近似为一平行板电容器,在给定的电势下其双层电容C表示:
C =εε0A / d (5)
ε为平板电容器中介质的介电常数,ε0 为真空介电常数, A 为平板的面积, d为平板间距。在免疫分析
中,当ε、ε0、A 视为恒定的前提下,由于在传感器界面上形成了抗原抗体复合物,相应的生物敏感膜厚度
d值增大,导致被测定的膜电容下降,由此可以建立目标物的定量检测方法。

生物膜的构建和应用
同其它传感器一样,生物敏感膜的构建是电容型免疫传感器识别免疫分子最为重要的部分。但与
其他免疫传感器不同的是构建电容型免疫传感器的关键在于生物敏感膜必须处于充分的绝缘状态,否
则会由于溶液中的离子直接传递到电极表面而发生短路现象,导致传感器测不到所需要的响应信号。
通常制作电容型免疫传感器的基底是金属或半导体,免疫分子可通过半导体氧化物、金属氧化物、自组
装单层分子或聚合物等耦联在电极表面。Bataillard等[ 47 ]报道了能分别测定甲胎蛋白和IgE浓度的电容型免疫传感器。首先通过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处理硅醇
基,最后通过戊二醛将硅表面和抗体分子的氨基共价的连接起来,这样通过测定抗原与固定在电极表面
的抗体反应前后的电容变化,就能达到测定相应抗原浓度的目的。此外利用金属氧化物耦连免疫分
子[ 48, 49 ] ,也能用于相应抗原和抗体的检测,但由于通过这些方法构建的传感器得到的响应信号较弱[ 47 ] ,所以近些年来已较少被采用。为提高电容型免疫传感器的灵敏度、稳定性、选择性并降低检出限,寻找新的方法构建生物膜是解决这些问题的关键。
随着自组装单层膜的研究不断深入和成熟,该技术被越来越多地应用到电容型免疫传感器的研制
中。Taira等[ 50 ]将末端含有二硝基苯的长链二烃基二硫化物自组装在金电极表面构建了能用于测定抗二硝基苯抗体的电容型免疫传感器。Rickert等[ 51 ]为了得到绝缘性更好、稳定性更高的传感器,将口蹄疫病毒的衣壳蛋白VP1中的135～154氨基酸序列修饰在ω2羟基十巯醇上,然后将这个新合成的化合物与ω2羟基十巯醇混合共同自组装在金电极表面。所制备的传感器与单独使用新合成化合物构建的传感器相比,在传感器测定的稳定性上有了大幅度提高。Berggren 等[ 52, 53 ]通过引入短链巯基化合物———巯辛酸自组装方法构建了能在大约1 ng/L～1μg/L范围内对生物分子进行测定的电容型免疫传感器。这种传感器成功地对白介素22、白介素26、人绒毛促性腺激素和人血清白蛋白进行了测定,而且电极的非特异性吸附很小,这为免疫分子的超微量直接电容检测提供了新的思路,有关的研究成果对电容性免疫传感器的发展具有重要意义。Dijksma等[ 54 ]通过自组装乙酰化的半胱氨酸构建了γ干扰素电容性免疫传感器,将γ干扰素的检出限降至10- 18 mol/L (约0. 02 pg/L) ,以如此低的检出限对生物分子进行检测和分析是其他方法所无法企及的。
本课题组也先后尝试了用巯基化合物自组装的方法构建了能用于层胶粘蛋白[ 55 ] 、透明质酸结合蛋
白[ 56 ] 、水蛭素[ 57 ] 、C反应蛋白和转铁蛋白等生物分子测定的电容型免疫传感器,为实现临床应用电容型免疫传感器提供了一定的参考。由于自组装单分子层的有序性、稳定性、绝缘性和可调控性,使通过这种方法所构建的电容型传感器在研究中体现出了很多优越性[ 58 ] 。但是,目前这些研究大多还停留在实验室阶段,原因之一是受制作工艺的限制,通过自组装方法制备的传感器尚无法进行大规模工业化生产;另外通过这种方法所构建的电容型免疫传感器再生使用不理想,在不破坏自组装单层膜的绝缘结构前提下,有效地对已结合的抗原抗体进行分离的方法还不成熟。因此,要使这种传感器能广泛的应用于常规分析还需要解决电极稳定性、再生性等诸多问题。

SPR型免疫传感器、QCM型免疫传感器和电容型免疫传感器的共同的突出特点是直接免疫分析测
定,而且样品的预处理简单或者不需要预处理就能对生物分子进行分析测定和研究。3种免疫传感器
中报道最多的、商品化程度最高的是SPR型免疫传感器,但是综合考虑传感器的灵敏度、检出限以及仪
器的经济性,电容型免疫传感器无疑是很有发展前途的。与此同时,测定中存在的非特异性吸附现象是
无标记型免疫传感器的共有问题。如何进一步提高这类传感器的性能,使无标记型免疫传感器能更多
地从实验室研究应用到更广阔的实际领域是有关研究者面临的主要挑战。

无标记型免疫传感器的原理及其应用