大連化物所基於酶單分子納米膠囊技術的生物傳感器研究獲進展

近日，中國科學院大連化學物理研究所生態環境評價與分析研究組研究員盧憲波、陳吉平團隊研發的基於酶單分子納米膠囊（SMENs）技術的生物傳感器取得新進展，酶傳感器的熱穩定性、有機溶劑耐受性、酸鹼耐受性、存儲穩定性等核心性能實現質的提高，率先將SMENs技術應用於分析和生物傳感領域。

酶生物傳感器具有簡單、快速、廉價、便攜、微型化等優勢，在醫療診斷、食品、環境等領域具有廣闊應用前景，但其穩定性不高是限制其應用的障礙。酶是蛋白質分子，作為高效的生物反應器具有顯著的選擇性和特異性。然而，它們對外界環境（溫度、溶劑、pH值等）高度敏感，且保質期很短、穩定性不足，限制了其在不同領域的應用，酶生物傳感器亦如此。因此，開發在不同工作環境下具有高穩定性的酶生物傳感器，提高存儲和使用壽命，對於拓寬其在分析、生物醫學檢測、可穿戴設備、植入式設備等領域的應用十分重要。傳統研究中，通常是利用納米材料的納米調控效應，通過採取不同的酶分子固定化方式和傳感策略（如採用生物相容性無機納米材料等作為酶分子固載單元），以顯著提高酶生物傳感器的靈敏度和檢出限性能，但這對於提高酶生物傳感器的穩定性作用並不顯著。

研究團隊以高穩定性酶單分子納米膠囊技術解決了困擾酶傳感器發展的穩定性難題，分別以葡萄糖氧化酶（GOx）和酪氨酸酶（Tyr）為模型酶，在水環境中採用簡單的室溫原位自由基聚合策略，將上述酶的單分子封裝在多孔的聚合物殼內，研製出高活性、高穩定性的單分子酶納米膠囊（SMENs）：葡萄糖氧化酶納米膠囊（nGOx）和酪氨酸酶納米膠囊（nTyr）。聚合物外殼有效地穩定了內部的GOx和Tyr核心，同時多孔的網絡結構實現了底物的快速運輸，從而形成了一類具有突出活性和穩定性的新型生物催化納米膠囊。聚合物薄層與酶分子之間的多重共價結合增強了被包裹的酶分子穩定性，為其提供了良好的微環境，避免高溫和強酸鹼條件下的結構變性，有助於在有機溶劑體系操作過程中保留酶活性所必需的水分子。以熱穩定性為例，在65℃下孵育2h後，基於天然Tyr的傳感器相對活性只剩23.2%，而基於nTyr的傳感器相對活性仍可以保持52.7%以上。基於nGOx和nTyr的傳感器分別在血糖檢測和雙酚A檢測中展示出良好的性能，且有顯著提高的熱穩定性、有機溶劑耐受性、酸鹼穩定性和長存儲壽命。基於新型單分子酶納米膠囊的生物傳感器可適用於多種極端的應用場景，並為提高酶傳感器的穩定性提供了解決方案。

該團隊致力於提高生物傳感器的穩定性、靈敏度、檢出限等關鍵性能和發展重要目標物的實時快速檢測方法。相關研究成果發表在《生物傳感器和生物電子學》和《分析化學》上。研究工作得到國家自然科學基金項目、大連化物所創新研究基金項目等的資助。