[发明专利]一种基于磁性力构建电化学传感器生物传感元件的方法

说明书

微生物电化学传感器(MEB)以电化学活性生物膜作为生物传感元件，具有灵敏度高、操作系统简单以及易于集成等众多优势，在临床诊断、医学检验和环境监测等研究领域中有着广泛的应用前景。然而，电化学活性生物膜孵育时间长，培养过程复杂。为了解决这一问题，本发明提出了一种基于磁性力快速构建微生物电化学传感器生物传感元件的方法，该方法不依赖成熟的电化学活性生物膜作为传感元件，省去了MEB复杂、耗时的启动环节。本发明能够突破性的实现微生物电化学传感器生物传感元件的快速构建，并迅速建立起强稳定基线信号，对于实现MEB的即时检测具有重要意义。

技术领域

本发明涉及微生物电化学技术领域，具体涉及一种基于磁性力快速构建微生物电化学传感器生物传感元件的方法。

背景技术

生物传感器是生物活性材料与物理化学换能器有机结合的产物，具有特异性强、灵敏度高和快速检测等众多优点，在临床诊断、医学检验以及环境监测等领域有着广泛的应用前景。最先问世的生物传感器是酶电极，基于酶对底物的专一性作用可以实现对目标物的选择性检测。此后，其他固定化的生物敏感材料(如抗体、抗原、核酸)等也被应用于生物传感器作为分子识别元件。然而，这些生物分子识别原件的制备往往需要复杂的操作系统、昂贵的仪器设备和极高的专业人员操作水平，限制了生物传感器在实际中的应用。与此同时，绝大部分生物传感器依赖于识别光信号进行检测。例如，普遍使用的实时荧光定量PCR技术以及免疫标记光纤生物传感器。但是，检测光信号很容易受到环境光与背景值的干扰从而导致假阴性或假阳性的情况发生，降低生物传感器检测的准确性，从而限制了以识别光信号为检测手段的生物传感器在实际中的应用。

随着微生物电化学传感器(Microbial Electrochemical Sensor，MEB)的不断发展，有望解决上述问题。MEB是以电化学活性微生物(Electrochemical ActivelyBacteria，EAB)为核心传感元件，能够将待测物质信息直接转换为电信号进行检测的传感器。MEB依赖于形成电极生物膜结构并具备电化学活性微生物在进行催化反应的同时与固相电极之间进行电子交换，且EAB同时作为分子识别元件与换能器能够将生物活性所表达的物理信息或化学信息转换为电信号进行输出。同时，EAB作为完整的天然细胞，不需要基因工程、蛋白分离、纯化、重构等复杂的分子生物学技术，具有较低的技术门槛和使用成本，被认为是目前最有前景的生物传感器技术。

从MEB技术首次报道至今，研究人员大多使用EAB所形成的天然生物膜作为传感和换能元件，且天然生物膜具有自我修复、自我更新能力。例如在环境监测领域，利用成熟稳定的生物膜有利于实现水体水质毒性在线和原位监测。但生物膜孵育、形成是一个复杂过程，往往需要几天乃至几周的培养时间(通常需要1-4周)，导致现有技术无法满足特殊场合下的即时检测需求。

为解决天然生物膜孵育时间较长问题，清华大学梁鹏教授团队近期报道利用海藻酸钠、EAB制备人工生物膜，大幅度地降低生物膜形成时间，可在60分钟内完成生物膜制备和水质毒性检测。但人工生物膜与天然生物膜类似，复杂的多层、三维结构不利于毒性污染物渗透和传质。为了彻底避免生物膜自身特质对EAB检测水质毒性的影响，北京航空航天大学刘红教授团队，基于生物膜形成过程，首次报道利用非成膜EAB检测水质毒性技术。与天然、人工生物膜相比，该技术不需要孵育生物膜，且非成膜EAB具有散落单层结构，更有利于水质毒性快速检测。同时，该团队还与传统EAB生物膜开展比较，结果表明非成膜EAB在检测毒性污染物时比生物膜具有高出30倍以上的灵敏度，且成功地实现微量毒性污染物检测。但是，利用非成膜EAB检测水质毒性技术研究目前仍处于起步阶段，非成膜EAB制备过程仅是简单物理吸附，存在吸附容量低、附着力差和难以适应水体流动等不足，水体中杂质还可能与电化学活性微生物争夺非特异性吸附位点，导致细菌脱附。因此，通过物理被动吸附制备的非成膜EAB在实际使用中还存在问题，迫切需要开展EAB与电极可控吸附研究。