基于結(jié)構(gòu)色水凝膠的生物傳感器應(yīng)用方案

引言

生物傳感器作為一種新興的檢測(cè)技術(shù)，具有快速、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)高效等優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)學(xué)診斷、環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品安全等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。結(jié)構(gòu)色水凝膠作為一種新型的生物傳感材料，因其獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，在生物傳感領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。本文將詳細(xì)介紹基于結(jié)構(gòu)色水凝膠的生物傳感器應(yīng)用方案，并探討主控芯片在其中的作用及具體型號(hào)。

結(jié)構(gòu)色水凝膠的基本原理

結(jié)構(gòu)色水凝膠是一種通過引入光子晶體結(jié)構(gòu)而具有顏色變化特性的水凝膠。其基本原理是利用揮發(fā)性硫化物等目標(biāo)分子與水凝膠中的特定化學(xué)鍵（如二硫鍵）發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化，進(jìn)而引起光子晶體的晶格間距變化，使結(jié)構(gòu)色水凝膠的顏色發(fā)生變化。這種顏色變化可以通過肉眼觀察或光學(xué)儀器檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)分子的高靈敏度和可視化傳感。

結(jié)構(gòu)色水凝膠的制備

結(jié)構(gòu)色水凝膠的制備通常包括以下幾個(gè)步驟：

1. 合成含二硫鍵交聯(lián)劑：首先合成親水性的含二硫鍵交聯(lián)劑，如N,N'-雙丙烯酰-L-胱氨酸（BISS）。

2. 制備水凝膠預(yù)聚液：將交聯(lián)劑加入水凝膠預(yù)聚液中，形成含有二硫鍵的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

3. 引入光子晶體結(jié)構(gòu)：通過共聚或其他方法，在水凝膠中引入光子晶體結(jié)構(gòu)，使其具有結(jié)構(gòu)色。

4. 固化成型：通過適當(dāng)?shù)墓袒瘲l件，使水凝膠固化成型，得到具有結(jié)構(gòu)色的水凝膠傳感器。

結(jié)構(gòu)色水凝膠生物傳感器的應(yīng)用

基于結(jié)構(gòu)色水凝膠的生物傳感器在多個(gè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，以下將詳細(xì)介紹其在口臭檢測(cè)、癌癥檢測(cè)和急性心梗篩查中的應(yīng)用。

1. 口臭檢測(cè)

四川大學(xué)李建樹教授、秦萌副研究員團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)色水凝膠生物傳感器用于口氣中揮發(fā)性硫化物的高靈敏可視化檢測(cè)。該傳感器通過檢測(cè)揮發(fā)性硫化物（如硫化氫）的濃度，實(shí)現(xiàn)對(duì)口臭的診斷和牙周炎的篩查。

• 檢測(cè)原理：揮發(fā)性硫化物具有還原性，可以切斷水凝膠網(wǎng)絡(luò)中的二硫鍵，使水凝膠的交聯(lián)密度降低，吸水溶脹同時(shí)帶動(dòng)光子晶體的晶格間距增加，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)色水凝膠的光子禁帶紅移，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)揮發(fā)性硫化物的可視化傳感。

• 檢測(cè)結(jié)果：該結(jié)構(gòu)色水凝膠可以實(shí)現(xiàn)0 ppm ~ 1 ppm的揮發(fā)性硫化物的線性檢測(cè)，涵蓋了牙周炎患者呼出氣體中揮發(fā)性硫化物的濃度范圍，檢測(cè)限可達(dá)61 ppb。同時(shí)，該傳感器還可以對(duì)牙周炎病原體（如牙齦卟啉單胞菌）的增殖過程進(jìn)行實(shí)時(shí)和原位的可視化監(jiān)測(cè)，其結(jié)果與常用的比濁法一致。

• 臨床應(yīng)用：將結(jié)構(gòu)色水凝膠用于檢測(cè)口臭患者呼出揮發(fā)性硫化物的濃度，其檢測(cè)結(jié)果與臨床診斷一致。該傳感器可以與手機(jī)聯(lián)用，通過分析樣品照片的顏色自動(dòng)給出檢測(cè)結(jié)果，與基于Halimeter口氣測(cè)量?jī)x的結(jié)果相比，準(zhǔn)確率可達(dá)95%。

2. 癌癥檢測(cè)

水凝膠作為一種新型的生物材料，具有獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，可與生物傳感器相結(jié)合，提高其性能?；谒z的癌癥生物傳感器在癌癥檢測(cè)中具有巨大的應(yīng)用潛力。

• 肽水凝膠生物傳感器：肽水凝膠由氨基酸鏈組成，是一種天然的自組裝材料，具有可設(shè)計(jì)、可生物降解、無毒、廉價(jià)和低免疫原性等優(yōu)點(diǎn)。例如，Wang等人設(shè)計(jì)了一種基于PEDOT-肽的水凝膠生物傳感器，用于檢測(cè)乳腺癌標(biāo)志物HER2。該傳感器通過固定HER2抗體并在水凝膠中封裝HRP，實(shí)現(xiàn)對(duì)HER2的選擇性識(shí)別。HER2與抗體結(jié)合后會(huì)形成復(fù)合物，影響電子傳遞，從而導(dǎo)致電流信號(hào)變化。利用差分脈沖伏安法測(cè)量電流變化，可實(shí)現(xiàn)HER2的定量檢測(cè)，檢測(cè)限為45 pg/mL，線性范圍從0.1 ng/mL到1.0 μg/mL。

• DNA水凝膠生物傳感器：DNA水凝膠由DNA分子交聯(lián)和雜交形成的高度交聯(lián)聚合物網(wǎng)絡(luò)，具有機(jī)械剛性、生物相容性、可生物降解、高物理化學(xué)穩(wěn)定性和可編程性等優(yōu)點(diǎn)。例如，Si等人制備了一種基于目標(biāo)微小RNA（miRNA）-響應(yīng)DNA水凝膠的表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）傳感器陣列，用于檢測(cè)多種癌癥相關(guān)miRNAs。該傳感器陣列通過將鏈霉親和素（streptavidin）修飾在傳感器表面，并制備目標(biāo)miRNA-響應(yīng)DNA水凝膠，實(shí)現(xiàn)了對(duì)miRNAs的檢測(cè)。當(dāng)目標(biāo)miRNA存在時(shí)，相應(yīng)傳感單元的DNA水凝膠會(huì)解體，使SERS標(biāo)簽?zāi)軌蛲ㄟ^水凝膠并被捕獲在鏈霉親和素修飾的檢測(cè)表面，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的拉曼信號(hào)。

• 導(dǎo)電聚合物水凝膠（CPHs）：導(dǎo)電聚合物水凝膠將導(dǎo)電聚合物和水凝膠的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，具有良好的電學(xué)和機(jī)械性能，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，尤其是生物傳感。例如，Huang等人設(shè)計(jì)了一種結(jié)合納米結(jié)構(gòu)CPH與金納米粒子（AuNPs）的無標(biāo)記電化學(xué)免疫傳感器，用于檢測(cè)癌胚抗原（CEA）。該傳感器利用纖維素納米晶和苯磺酸鈉摻雜的聚吡咯與AuNPs及抗CEA抗體構(gòu)建在玻璃碳電極上，實(shí)現(xiàn)對(duì)CEA的高度敏感檢測(cè)。CEA與抗體結(jié)合后形成的復(fù)合物會(huì)影響電子傳遞，造成電流信號(hào)降低。該傳感器的檢測(cè)限為0.06 fg/mL，檢測(cè)范圍從1 fg/mL到200 ng/mL。

3. 急性心梗篩查

哈爾濱工業(yè)大學(xué)潘昀路教授課題組提出了一種水凝膠-石墨烯三維生物傳感器構(gòu)型，用于急性心梗的快速篩查。該傳感器將超浸潤(rùn)多孔水凝膠、核酸適配體與石墨烯場(chǎng)效應(yīng)管有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)表面微量蛋白濃度變化的高效敏感。

• 檢測(cè)原理：利用高穩(wěn)定性、高特異性的核酸適配體解決了抗體穩(wěn)定性較差的問題；利用超浸潤(rùn)多孔水凝膠的自過濾、自清潔功能解決了血液中大分子蛋白和脂類對(duì)石墨烯敏感表面的影響；利用石墨烯場(chǎng)效應(yīng)管實(shí)現(xiàn)了對(duì)表面微量蛋白濃度變化的高效敏感。

• 檢測(cè)結(jié)果：該傳感器可在7分鐘內(nèi)判定全血樣本是否為高風(fēng)險(xiǎn)樣本，準(zhǔn)確率高達(dá)94%。由于該器件兼具高穩(wěn)定性、小巧方便等特點(diǎn)，可應(yīng)用于家庭、社區(qū)對(duì)急性心梗的即時(shí)、即地快速篩查，有望大幅降低急性心梗的致死率。

主控芯片在結(jié)構(gòu)色水凝膠生物傳感器中的作用及型號(hào)

主控芯片在結(jié)構(gòu)色水凝膠生物傳感器中起著至關(guān)重要的作用，它負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、處理和分析，以及傳感器的控制和通信。以下將詳細(xì)介紹幾種常用的主控芯片型號(hào)及其作用。

1. MSP430系列微控制器

• 型號(hào)：MSP430G2553

• 作用：MSP430系列微控制器是德州儀器（TI）推出的一款低功耗、高性能的16位微控制器。它具有豐富的外設(shè)資源，如ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）、UART（通用異步收發(fā)傳輸器）、SPI（串行外設(shè)接口）等，可以滿足結(jié)構(gòu)色水凝膠生物傳感器的數(shù)據(jù)采集和通信需求。同時(shí)，其低功耗特性使得傳感器能夠長(zhǎng)時(shí)間工作而不需要頻繁更換電池。

2. STM32系列微控制器

• 型號(hào)：STM32F103C8T6

• 作用：STM32系列微控制器是意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）推出的一款基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位微控制器。它具有強(qiáng)大的計(jì)算能力和豐富的外設(shè)資源，如高速ADC、多個(gè)UART、I2C（兩線式串行總線）、SPI等。STM32F103C8T6型號(hào)還集成了USB接口，方便與計(jì)算機(jī)或其他設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在結(jié)構(gòu)色水凝膠生物傳感器中，STM32系列微控制器可以用于復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理算法和高級(jí)通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。

3. Arduino系列微控制器

• 型號(hào)：Arduino Uno R3

• 作用：Arduino系列微控制器是一款開源的硬件和軟件平臺(tái)，適用于快速原型開發(fā)和嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。Arduino Uno R3型號(hào)采用ATmega328P微控制器，具有14個(gè)數(shù)字輸入/輸出引腳（其中6個(gè)可用于PWM輸出）、6個(gè)模擬輸入引腳、一個(gè)USB接口等。Arduino平臺(tái)提供了豐富的庫(kù)函數(shù)和示例代碼，使得開發(fā)者可以輕松地實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)色水凝膠生物傳感器的數(shù)據(jù)采集、處理和通信功能。

4. ESP32系列微控制器

• 型號(hào)：ESP32-WROOM-32

• 作用：ESP32系列微控制器是Espressif Systems推出的一款低功耗、高性能的32位微控制器，集成了Wi-Fi和藍(lán)牙功能。ESP32-WROOM-32型號(hào)具有4個(gè)UART、兩個(gè)SPI、兩個(gè)I2C、兩個(gè)I2S等豐富的外設(shè)資源，以及高速ADC和DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）。在結(jié)構(gòu)色水凝膠生物傳感器中，ESP32系列微控制器不僅可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和處理功能，還可以通過Wi-Fi或藍(lán)牙將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)或云端服務(wù)器進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和分析。

結(jié)論

基于結(jié)構(gòu)色水凝膠的生物傳感器在口臭檢測(cè)、癌癥檢測(cè)和急性心梗篩查等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。主控芯片作為傳感器的核心部件，在數(shù)據(jù)采集、處理和分析以及傳感器控制和通信方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。本文介紹了MSP430系列、STM32系列、Arduino系列和ESP32系列等幾種常用的主控芯片型號(hào)及其作用，為基于結(jié)構(gòu)色水凝膠的生物傳感器的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供了參考。未來，隨著材料科學(xué)和微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，基于結(jié)構(gòu)色水凝膠的生物傳感器將具有更加廣闊的應(yīng)用前景和更加優(yōu)異的性能表現(xiàn)。