Page 47 - 《精细化工》2023年第11期
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第 11 期                         白忠薛，等:  生物质基水凝胶的传感应用进展                                   ·2359·


                 壳聚糖类水凝胶是由壳聚糖及其衍生物富含的                          续监测高达 1 mmol/L 的间质液葡萄糖含量的生物
            羟基和氨基通过接枝改性、化学交联、聚电解质复                             传感器平台。该平台具有宽线性范围、高灵敏度
            合等方法制备。壳聚糖类水凝胶一般具有低毒性、                             （47.2 μA·L/mmol）、低传感极限（0.01 mmol/L），
            良好生物相容性、生物降解性等特点，但也存在强                             可以准确测量人血清葡萄糖浓度。如图 2 所示，
            度不够、溶胀度小等不足。壳聚糖类水凝胶已被开                             WANG 等  [50] 以纳米纤维素（CNF）、聚乙烯醇（PVA）、
            发应用于吸附剂        [34] 、光催化 [35] 、封装材料   [36] 、药物     碳点（CQs）、无水乙二胺（EDA）等为主要原料，
            传递、细胞摄取        [37] 、传感超级电容器      [38] 、柔性可拉       利用原位水热法成功制得了一种新型多功能水凝胶
            伸传感器     [39] 等领域。                                 （NPC）。该水凝胶可在室温（25  ℃）下进行自我
                                                               修复，并显示出双发射荧光和高机械强度（拉伸强
            2   生物质基水凝胶的传感应用                                   度高达 2.98 MPa）。生物质基水凝胶的电容式传感器

                                                               对葡萄糖浓度表现出出色的线性电容响应能力，并
                 由于具有独特的结构特征、良好的生物特性和
                                                               实现了具有多个线性相关性的实时葡萄糖检测。最
            优异的应用特点，生物质基水凝胶被广泛用于构筑
                                                               近，LIANG 等   [51] 设计了一种基于季铵化壳聚糖和氧
            功能型传感器，并应用于生物、应变、气体、湿度
            和温度多种传感        [40-42] 。                           化葡聚糖的自修复水凝胶，并将 CeO 2 /MnO 2 中空纳
                                                               米球在水凝胶中作为电催化介质共价连接。葡萄糖
            2.1   生物传感
                                                               氧化酶通过与 CeO 2 /MnO 2 中空纳米球的强静电相互
                 生物传感是指对生物物质敏感并将其浓度变化
                                                               作用而装载。水凝胶在可弯曲芯片上的共价键形成
            转换为电信号变化。生物质基水凝胶具有选择性好、
            灵敏度高、分析速度快、成本低等特点                   [43] ，在血糖      了一个葡萄糖传感器，该传感器显示出宽线性范围
                                                               （1~111 mmol/L）、快速响应（<3 s）和高灵敏度〔176
            检测、蛋白质检测、微小核糖核酸（MiRNA）检测、                                       2
            无机盐检测等方面具有广泛应用               [44] 。                μA·L/(mmol·cm )〕。

            2.1.1   血糖检测
                 生物质基水凝胶可用于制备高吸水性和高血糖
            灵敏度的生物传感器          [45] 。为提高在人体血清中检测
            的准确性，SHEN 等        [46] 开发了一种具有荧光生物探
            针的自修复羧甲基壳聚糖（CMCS）/氧化羧甲基纤
            维素（OCMC）水凝胶，用于葡萄糖检测。在这个
            生物传感系统中，金纳米簇（AuNCs）和葡萄糖氧化
            酶（GOx）被封装到 CMCS/OCMC 水凝胶基质中作
            为荧光生物探针。具有荧光生物探针的 CMCS/OCMC
            水凝胶对葡萄糖传感表现出高灵敏度，线性检测范
            围为 0.01~5 mmol/L，检测限为 0.029 mmol/L，涵盖
            了临床检测中的葡萄糖水平。GUNATILAKE 等                 [47] 提

            出将合成的 TiO 2 纳米管的超亲水性和毛细血管特性                        图 2   一步水热法制备的自愈水凝胶的示意图及其自愈
            融入海藻酸盐基质，合成了一种新型的三维 TiO 2 纳                             机制  [50]
            米管/海藻酸盐水凝胶，用于检测葡萄糖。此水凝胶                            Fig. 2    Schematic diagram of self-healing hydrogel prepared
                                                                     by one-step hydrothermal method and its self-healing
            传感器减少了葡萄糖的检测时间，同时在基质中获                                           [50]
                                                                     mechanism
            得了葡萄糖的快速和均匀的比色检测。随后，KIM
            等 [48] 开发了由聚-γ-谷氨酸（PGA）和壳聚糖制成的                     2.1.2   蛋白质检测
            水凝胶，该水凝胶可有效地将 GOx 和磁性纳米粒子                              生物质基水凝胶可用于制备具有良好选择性和
            （MNP）保留在其中。葡萄糖检测依赖于在葡萄糖                            灵敏度的蛋白质传感器          [52-53] 。PILOTO 等 [54] 将分子
            存在下通过捕获的 GOx 介导的催化作用生成 H 2 O 2 ，                   印 迹 聚合物 与碳量子点 组合得到的 印迹材 料
            使用这种策略，目标葡萄糖可以在 5~100 μmol/L 的                     （MIP@CQD）结合到纤维素水凝胶中，从而成功制
            宽线性范围内成功被检测到，最低检测限为 3                              备了印迹纤维素水凝胶，该水凝胶可用于检测与胰
            μmol/L，足以诊断人血中的高水平葡萄糖（高血糖）。                        腺癌（PC）相关的蛋白质生物标志物 CA19-9。随
                 为了赋予真实血液样本良好的重现性，KIM 等                 [49]   着 CA19-9 浓度的增加，印迹纤维素水凝胶发生荧光
                                                                                               2
                                                                                      –2
            制备了与反离子电泳电极接触的透明聚乙烯醇/β-环                           猝灭，线性范围为 2.76×10 ~5.23×10  U/mL，在 1000
                                                                                              –3
            糊精聚合物纳米纤维（NF）水凝胶，可用于无创连                            倍稀释的人血清中，显示出 1.58×10  U/mL 的检测限
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