【原】罗细亮/范高超Anal. Chem.：工程支化肽作为双功能防污识别探针—双光电极生物传感器！

崛步化学 2023-09-12 发布于北京

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研究内容

蛋白质生物标志物心肌肌钙蛋白I（cTnI）是心肌损伤和坏死的重要指标，被用作检测的典型靶点。构建具有抗非特异性蛋白质生物污垢和还原剂的生物氧化能力的实用生物传感器仍然是一个巨大的挑战。

青岛科技大学罗细亮/范高超将一种新的工程支化肽(EBP)集成到协同双光电极系统中，开创了一种能够在人类血清中精确检测的稳健光电化学(PEC)生物传感器。协同双电极系统涉及C₃N₄/TiO₂光阳极和AuPt/PANI光阴极的串联连接，EBP作为一种双功能防污和识别探针，具有一个识别主链和两个防污分支的倒Y形结构。与常规线性肽(LP)相比，这种EBP能够实现电极修饰的简单程序和增强的防污性质，这在理论上得到了分子动力学模拟结果的支持。开发的PEC生物传感器分别继承了光阳极和光电阴极的光电流响应和良好的抗氧化性能。针对心肌肌钙蛋白I(cTnI)的模型蛋白生物标志物，该生物传感器在高灵敏度、特异性和抗干扰方面取得了良好的性能。相关工作以“Engineered Branching Peptide as Dual-Functional Antifouling and Recognition Probe: Toward a Dual-Photoelectrode Protein Biosensor with High Accuracy”为题发表在国际著名期刊Analytical Chemistry上。

研究要点

要点1. 在设计中，EBP主要由两个功能结构域组成：防污结构由两个具有相同肽序列CKEKEKEKE的分支组成，防止干扰蛋白的非特异性吸附；识别结构被整合到主链中并以肽序列FYSHSFHENWPSK为特征，表现出与靶cTnI的高度特异性亲和力。

要点2. 双光电极系统是指光电阳极和光电阴极的串联配置。通过在TiO₂纳米结构上的石墨氮化碳(C₃N₄)量子点组件制备了作为辅助电极的C₃N₄/TiO₂光阳极。通过在聚苯胺(PANI)膜上修饰AuPt合金纳米颗粒，构建了AuPt/PANI光电阴极，并与EBP进一步锚定，形成探针生物阴极。

要点3. 高级PEC生物传感器的探测机制是在光电流信号显著降低的情况下运行的，这是由捕获的cTnI引起的显著空间位阻效应引起的。这种独特的设计使生物传感器对生物样本的实际分析具有良好的灵敏度、选择性和抗干扰性。

研究图文

图1. 开发了集成EBP的cTnI检测双光电电极生物传感器。

图2. EBP集成双光电电极生物传感器检测cTnI的PEC机制。

图3.（a）C₃N₄量子点的TEM和（b）UV-vis吸收(曲线a)和PL发射(曲线b)光谱。（c）TiO₂电极和（d，e）C₃N₄/TiO₂电极的SEM。（f）TiO₂(曲线a)和C₃N₄/TiO₂(曲线b)电极的XRD。插图：（a）单个C₃N₄量子点的典型高分辨率TEM；（b）C₃N₄量子点在白光(左)和紫外线灯(右)下的照片。

图4.（a）PANI和（b）AuPt/PANI电极的SEM。（c）AuPt纳米粒子的XRD。（d）AuPt/PANI电极的XPS。

图5.（a）不同操作系统的光电流响应：（I）光阳极系统、（II）光电阴极系统和（III）双光电极系统。（b）双光电极系统的时变光电流响应。（c）PANI沉积后、AuPt修饰后、EBP锚定后以及与cTnI孵育后，阴极ITO衬底的电流响应和（d）阻抗谱。

图6. EBP和常数LP的分子动力学模拟。

图7.（a）PEC生物传感器对目标cTnI浓度增加的光电流响应。（b）光电流变化(ΔI)与cTnI浓度的关系图。（c）EBP和LP锚定的生物传感器在人血清中孵育期间的光电流变化率(ΔI/I₀)。（d）PEC生物传感器的电流变化为0.1 ng/mL cTnI、1 ng/mL AFP、HSA、CA153和HIgG、10mM Glu、AA和GSH以及所有这些物质的混合物。ΔI=I₀-I，其中I₀和I分别表示孵育前后的光电流响应。