“該技術正在向不同的公司進行專利授權，醫療和非醫療應用領域都很感興趣。”Donald Ingber 在介紹其團隊開發的 eRapid 平台的産業落地情況時，對生輝說。

eRapid 平台是 Wyss 研究所創始董事 Donald Ingber 博士、及該機構旗下由高級研究員 Pawan Jolly 博士領導的傳感器團隊開發的傳感器平台，通過開發一種基于納米技術的防污塗層，解決了電化學生物傳感器檢測過程中的污染問題，這在便攜式電化學監測系統開發中至關重要。

（來源：Accounts of Chemical Research）

Donald Ingber 是哈佛大學教授，他活躍在各類生物芯片、尤其是器官芯片的創新研究中，研究背景涵蓋了機械生物學、腫瘤血管生成、組織工程、系統生物學、納米生物技術和轉化醫學等等。他在今年連發 4 篇頂刊論文，介紹了器官芯片在藥物研發，包括新冠藥物篩選中的作用。

本文将主要圍繞他在電化學生物傳感器抗污染研究中的研究成果。

圖丨Wyss 研究所創始董事 Donald Ingber 博士

傳感器被視為人類器官的延伸，可以被運用到日常生活、醫學、航空航天等等領域。

電化學生物傳感器作為傳感器技術的一個新分支，可以檢測生物材料，比如酶、細胞、特定配體、組織，也可以檢測非生物基質。可被廣泛應用在食品檢測、環境監測、藥物和臨床等方面。具有靈敏度高、檢測時間短、操作便利、便攜等優點。

圖 | 基于 “三明治結構” 的蛋白質檢測技術已成為熱門的研究方向（來源：DOI: 10.12677/AAC.2021.114025）

目前，電化學生物傳感器在檢測複雜樣品過程中，最主要的挑戰和技術難點之一就是基質的幹擾。這是影響電化學生物傳感器向商業産品推進的最大阻礙。

醫療樣品中常見的幹擾基質來自體液 (蛋白質、多糖、脂質等生物大分子)、血液或血清以及外源性細菌、病毒等；食品樣品中常見的幹擾基質為食品成分 (蛋白質、脂類、碳水化合物、水、維生素、礦物質分子、低分子添加劑等) ；環境樣品中常見的幹擾基質為環境中的生物大分子、微生物等。

目前防止電極表面污染的方式通常是進行化學修飾，比如修飾聚乙二醇，或者利用牛血清白蛋白（BSA）進行封閉，盡管這些策略有效降低了污染的程度，但也會使電極表面阻抗增加，導緻檢測靈敏度降低。

為了解決污染問題，Ingber 團隊開發了一種 “快速、穩定、低成本的納米複合抗污染塗料”“該材料在生物标志物信号檢測方面具有前所未有的性能”。

根據發表于 Nature Nanotechnology 的論文，防污塗層在傳感器表面形成三維多孔結構，搭建起包含納米金纖維或納米金顆粒在内的導電納米材料網絡。

（來源：Nature Nanotechnology）

這種導電網絡既能促進離子通過納米孔流向電極表面，同時還将排斥生物污染物。其排斥原理一方面是由于其密集的小孔結構，另一方面則是網絡中交聯的牛血清白蛋白（BSA）分子排斥血液中的高濃度白蛋白。

作為原理證明，該團隊設計了一種用于檢測白細胞介素 - 6（IL-6）的生物傳感器，其可以靈敏地檢測未處理血清 / 血漿中的該化合物。與之相比，基于傳統的聚乙二醇自組裝塗層（PEG-SAM）構建的傳感器僅能檢測到磷酸緩沖液（PBS）中的 IL-6，在成分複雜的血漿中便一無所獲。

重要的是，這種初代納米金材料的塗層電極具有短暫的可重複性，其保存期限通常取決于搭載抗體的穩定性。在該次實驗中，将使用過後的電極儲存在 4℃條件下 1% 的 BSA 中，經過清洗，在使用後一個月仍保持約 90% 的電化學傳感性能（檢測電流密度）。與之相比，其他類型的防污塗層往往在幾個小時内就失去了保護作用。

（來源：Nature Nanotechnology）

在獲得初步成功之後，該團隊針對防污塗層的成分進行了進一步優化。

主要的優化方向為原始塗層中的納米金材料：其會對血液和其他體液中的分子進行氧化并産生幹擾性的電化學背景信号，也被稱為噪聲。除此之外，使用納米金的高成本也阻礙了研究人員實現以低成本制造診斷型電化學傳感器的目标。

在該團隊發表于 Advanced Functional Materials 上的研究論文中，研究人員使用還原氧化石墨烯納米薄片（rGOx）替代了塗層中的納米金作為導電材料，以便克服以上問題。“在利用戊二醛成功地開發出含有金屬氧化物與牛血清白蛋白交聯的半透納米複合塗層之後，我們用石墨烯氧化物取代了納米材料，降低了 100 倍的成本，同時保持了類似的信号轉導和防污性能。”

在試驗中，rGOx 的加入進一步提高了塗層的防污性能。與此前使用納米金的試驗數據相比，新型傳感器針對 IL-6 的檢測靈敏度提高了 40.86%。

除此之外，rGOx 改善了納米複合材料塗層的穩定性。新型電化學傳感器能夠持續暴露在血清、血漿或全血中 1 小時，且不會影響其導電性能；在長達九周的穩定性試驗中，其持續暴露于人血漿中同樣能夠維持 90% 的電流密度，這将為開發在複雜生物介質中穩定工作的連續監測生物傳感器提供可能。

圖丨基于 BSA/rGOx/GA 結構的塗層穩定性數據（來源：Advanced Functional Materials ）

“這種穩定的傳感器可以支持先取樣，然後可以在實驗室中集中檢測等靈活的處理方式。” 論文的第一作者 Sanjay Timilsina 此前在文章中提到。

研究人員還開發了一種局部熱誘導塗層方法，顯著提高了滴鑄塗層工藝的效率，并且在 1 分鐘内完成，至少比目前最先進的塗層技術快 3 個數量級。

研究人員在論文中寫道：最終産生的塗層電極可以在室溫下保存至少 5 個月，仍然可以保持完整的靈敏度和特異度。重要的是，這種塗層對各種生物液體樣品，包括血漿、血清、全血、尿液和唾液，都顯示出了優異的抗污染活性。

“我們已經實現了在全血中的抗污染，這是生物污染較為嚴重的樣本之一。” Ingber 說。

“這種抗污染技術将改變遊戲規則，因為它可以為診斷用電化學傳感器創建有效的抗污染塗層。并且，其标志着跨工程、材料、分子生物學和醫學等不同領域的多學科旅程的開始。” Ingber 表示，該技術将普遍适用于基于電化學傳感技術建立的全新多疾病診斷平台。

正如上文提到的，抗污染是影響電化學生物傳感器向商業産品推進的最大阻礙。那麼在即将解決該挑戰的情況下，Ingber 團隊的技術将落地到哪些應用場景？

電化學生物傳感器的主要用途之一是直接監測分析物或與分析物相關的生物活性，比如監測活細胞或者酶的活性。

“iQ 集團（ iQ Group）正在結合他們的晶體管傳感器技術，進行新冠檢測診斷産品的開發。另一家新成立的公司希望專注于神經系統疾病的護理診斷，但他們的進展還沒有那麼快。”Ingber 對生輝說。

iQ 集團将聯合 Ingber 團隊共同開發一種 “口香糖大小” 的可打印新冠檢測試紙，可以在幾分鐘内看到結果。iQ 集團是一家生命科學投資、孵化公司，開發了基于生物傳感器的診斷平台，開發了世界首個無需針刺取血的糖尿病檢測方案。

目前批準了兩種新冠檢測試劑：核酸檢測試劑和抗體檢測試劑，常規的核酸檢測一般需要 2-6 小時。抗體檢測中，膠體金法平均檢測時間 15 分鐘左右（全血而非血清），磁微粒化學發光法一般需要 30-60 分鐘。

圖 | “口香糖大小” 的可打印新冠檢測試紙（來源：iQ Group 官網）

除了以上的應用以外，電化學生物傳感器還可以間接用來分析幹擾傳感器生物催化性能的有機農藥或無機物，比如監測重金屬、氟化物、氰化物以及其他在工業和環境中的物質。不過因為這是不可逆的，所以對分析物的濃度測量通常不太精确。