微球与微胶囊在生物传感器中的应用探析

生物传感器是一种对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器，可以将生物材料感受到的持续、有规律的信息转换为人们可以理解的信息并将信息通过光学、压电、电化学、温度、电磁等方式展示给人们，为人们的决策提供依据。生物传感器的开发研究的热门方向之一即生物传感器的微型化。若进一步微型化，通过微胶囊的包埋技术将敏感元件封入微胶囊内，不仅可以保护芯材料免受外界影响，并且微胶囊的壳膜能够容许小分子底物和产物自由出入膜内外，口服后或许可测定机体内部情况。

与纳米粒子传感器相比，虽然微胶囊自身的尺寸较大，但微胶囊内部以及囊壁均可负载探针，仍然能够通过非特异性的胞吞进入许多细胞，从而提供足够强的信号。同时囊壁的半透性使得小分子的分析物可以自由通透，并阻止其他大分子进入，从而可以保护探针分子，使其不受细胞中酶和蛋白质的影响。此外，微胶囊的尺寸足够大，因此可以被显微镜直接观察到，通过分析单个的微胶囊内的信息就可以得到期望的pH值。由于微胶囊的囊壁的保护作用，探针可以较长时间在体内完整存在，因此可以跟踪观察微胶囊。

用生物相容性好、表面惰性的高聚物或无机材料作为基体，以荧光染料作为探针，将荧光染料包埋于惰性基体之中，可制备成微型光化学传感器，也称之为生物包埋胶囊探针（Probe Encapsulated by Biologically Localized Embedding，PEBBLEs），或荧光纳米微球，然后再将新制备的荧光纳米微胶囊转入细胞，可用于细胞内重要生理活性物质的测定。1998年，Kopelman等制备了第一批新型的聚合物荧光纳米微胶囊传感器。微胶囊传感器由半径小至10 nm的多组分纳米球体组成，相当于普通哺乳动物细胞体积的1×10-9。其探针由多达7种成分组成，可用于选择性和可逆分析物检测，以及传感器稳定性和重现性。PEBBLE荧光团的空间定位（或指示剂染料的预浓缩）改善了信号/噪声，或者允许更短的曝光时间，从而获得更好的时间分辨率，减少对细胞和传感器的辐射损伤。

2002年，McShane课题组利用层层自组装法（Layer by Layer，LBL）制备微胶囊做生物传感器，并将葡萄糖作为研究模型。该传感器结构使用不同的材料，比如染料或酶作为化学测量的高度特异性的探针，通过使用LBL工艺来制备封装荧光分析的纳米结构聚电解质壳。以这种方式生产的“纳米器件”具有灵敏度和特异性高的优点。

2005年，郑艺华等人使用微胶囊化方法利用海藻酸盐将固定化酶的树脂包埋在凝胶结构中，研究了不同浓度海藻酸钠和氯化钙溶液等条件对酶活保留率的影响。在生物传感器实际操作条件下，对微胶囊化前后的固定化酶活保留率进行了比较。研究表明，通过微胶囊化处理可以提高固定化鸡肝酶在生物传感器中的操作稳定性，为研制快速检测农药残留量的生物传感器所做的应用化研究。

2009年，唐义等以界面聚合的方法将目标蛋白质组织半胱氨酸蛋白酶-3（Caspase-3）封装在纳米微胶囊中，并将一种可以被蛋白酶水解的多肽与微胶囊交联起来，一旦发生蛋白水解作用，内部的蛋白质便释放出来。这种由蛋白酶引发的释放过程可以通过改变与多肽交联的光敏性保护基团，从时间和空间方面进行控制。该方法可用于蛋白质药物，疫苗和其他大分子疗法的制备和给药。

Haložan等人在介孔结构内包裹聚丙烯酸基质的层层自组装涂层CaCO3颗粒表征为pH和盐指示剂通过控制LBL聚电解质微胶囊和包覆微粒子中pH敏感性染料和聚电解质的用量，实现了灵敏度的可控调节。同时，包覆聚电解质的微球和微胶囊也对悬浮液中盐浓度的变化作出响应。(www.xing528.com)

将微胶囊技术引入生物传感器中，可以更快、更便宜、更详细地进行诊断，提供更智能的工具来监控患者当前的健康状况。Kassal 等设计了一种通过测定伤口处pH值了解伤口状况的无线智能绷带，可用于临床伤口观察和伤口护理治疗，如图10-2所示。该智能绷带是一种包覆纤维素颗粒和pH 指示染料且具有生物相容性的水凝胶，可以高精度地检测与生理相关范围内的pH值变化，并通过无线射频识别（Radio Frequency Identif ication，RFID）与外部读出装置进行通信。该产品的开发可以以方便和无创的方式洞察伤口状态的时间变化，并促使医疗保健提供者做出更加个性化、可视性的伤口护理治疗。

图10-2　无线智能绷带的原理

Kreft等人将pH敏感的荧光探针Seminaphtho-Rhodaf luor-1-dye（SNARF-1）标记的葡聚糖包埋到聚电解质微胶囊中，形成了一种基于多功能聚合物胶囊的新型传感器系统。由于大分子的葡聚糖无法通过囊壁扩散出去，因此SNARF-1被截留在微胶囊内腔中。这种传感器胶囊的主要优势在于其壁和空腔的分离功能化。因此，可以单独利用两个不同的隔间进行传感和标记。实验结果表明，SNARF-1的荧光随pH值发生变化，因此微胶囊颜色也会随pH值变化而变化，可根据此响应来标测细胞内的pH值。当处于碱性环境时胶囊显示红色，酸性环境时胶囊显示绿色。当这种微胶囊pH传感器进入乳腺癌细胞后，微胶囊颜色由红色变为绿色，证明其处于酸性位置，与推测胶囊胞吞后位于内涵体/溶酶体的假设吻合。同时该微胶囊pH传感器可以实时监测溶酶体的pH变化，外加药物改变溶酶体的pH后，胶囊的荧光会随之改变。

此外，Carregal-Romero等人研究了一个封装pH敏感荧光团的聚电解质微胶囊对周围环境pH值变化作出响应的微传感系统。聚电解质多层壳在离子敏感荧光团和周围介质之间起着半渗透屏障的作用。这个屏障增加了离子敏感的荧光团的响应时间，包埋SNARF-1的多层膜聚电解质微胶囊，pH响应时间低于500微秒，这对于细胞内pH变化的动力学研究来讲可以忽略不计。多层膜中是否包含纳米粒子对于离子电导率也影响甚微，这进一步表明微胶囊作为pH传感器的应用前景。

段菁华等通过油包水的微乳液技术将异硫氰酸荧光素（Fluorescein Isothiocyanate，FITC）标记的羊抗人免疫球蛋白G血清（IgG）封装到二氧化硅壳中，开发了一种新型的荧光核—一壳纳米传感器。该方法有效地防止了荧光染料在二氧化硅壳层中的泄漏，这种荧光纳米颗粒对弱酸性敏感，在pH值5.5～7.0呈线性响应，可望用作纳米pH值传感器件，用于单细胞中pH值的实时监测。