一种传感器电极表面抗生物污染涂层的制备方法

摘要

本发明公开了一种传感器电极表面抗生物污染涂层的制备方法，其特征在于光敏透明质酸的合成、抗生物污染涂层的制备两大步骤。本发明制备的光敏透明质酸具有强亲水性、可光交联性与良好的生物相容性。光敏透明质酸合成简单，原料易得，易于实现工业化生产；光敏单体的引入使得涂层在发挥透明质酸本身优异特性的基础上，可以通过紫外光交联来固定涂层的结构。在应用于原液样品检测时，基于光敏透明质酸涂层修饰的传感器电极具有长期高效的抗生物污染能力。光交联技术、功能涂层技术与生物传感技术的结合，可广泛应用于食品安全、生物医药、环保监测与生命安全等领域。

权利要求

1.一种传感器电极表面抗生物污染涂层的制备方法，其特征在于光敏透明质酸的合成、抗生物污染涂层的制备的具体步骤如下：（1）光敏透明质酸的合成

将透明质酸溶解在水中，搅拌至完全溶解，形成透明质酸水溶液；顺次加入4-二甲氨基吡啶、光敏单体、四丁基溴化铵(TBAB)，其中光敏单体与透明质酸中羧基含量的物质的量之比为0.2～100，4-二甲氨基吡啶与透明质酸重复单元数的物质的量之比为0.1～4，四丁基溴化铵与透明质酸重复单元数的物质的量之比为0.2～8，室温反应12 h～48 h；将反应液用丙酮沉淀后，转入透析袋隔水透析；将透析好的溶液冷冻干燥，得到光敏透明质酸，避光储存备用；

（2）抗生物污染涂层的制备

将步骤（1）中光敏透明质酸溶于水中，随后加入光引发剂，避光搅拌至形成澄清透明的光敏透明质酸水溶液；将光敏透明质酸涂覆在传感器电极表面，室温干燥后用紫外光照射使涂层发生交联，即在电极表面修饰抗生物污染涂层；将涂层修饰后的传感器电极在干燥环境下储存备用。

2.根据权利要求1所述的抗生物污染涂层的制备方法，其特征在于所述步骤（1）中透明质酸利用光敏单体进行改性，光敏单体为甲基丙烯酸缩水甘油酯、甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸酐、甲基丙烯酸缩水甘油醚中的一种。

3.根据权利要求1所述的抗生物污染涂层的制备方法，其特征在于所述步骤（2）中光敏透明质酸水溶液的浓度为0.5 mg/mL～10 mg/mL；所述光引发剂为水溶性光引发剂。

4.根据权利要求1所述的抗生物污染涂层的制备方法，其特征在于所述步骤（2）中传感器电极基材可以为金、玻碳、碳浆、石墨烯、碳纳米管、碳纤维、ITO中的一种。

5.根据权利要求1所述的抗生物污染涂层的制备方法，其特征在于所述步骤（2）中传感器电极在涂覆光敏透明质酸前需要预处理，预处理方法为：依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗。

6.根据权利要求1所述的抗生物污染涂层的制备方法，其特征在于所述步骤（2）中光敏透明质酸涂覆方式为旋涂、刮涂、电沉积中的一种。

7.根据权利要求1所述的抗生物污染涂层的制备方法，其特征在于所述步骤（2）中涂层需进行紫外光照射，照射条件为：紫外光源功率为10 W～1000 W， 光源与涂层距离为1 cm～10 cm，照射时间为5 min～60 min。

说明书

一种传感器电极表面抗生物污染涂层的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及高分子材料、生物功能涂层与电化学传感器领域，尤其是涉及一种采用光敏透明质酸修饰传感器电极表面制备抗生物污染涂层的方法。

背景技术

[0002] 当传统的生物传感器直接与原生实际样品(如血液、牛奶、果汁、生活污水)接触以检测其中成分时，会因蛋白质、血细胞及微生物黏附等引起电极表面的污染，从而降低检测灵敏度和使用寿命，甚至导致完全失效。以血液分析为例，目前对实际血液进行分析时，首先需要采用离心分离技术来处理血液，然后利用生化分析仪在分离所得到的血清中进行目标物的检测。这样的处理方式存在一些明显的缺陷：生化分析过程需要离心设施，这对小型诊所、家庭或者在线快速检测都有很大的不便之处；血液样品离心处理过程中可能受到污染；由于较长时间的血液处理和分析过程，因此会造成不可忽视的血液成分新陈代谢所带来检测误差，此外血清中目标物浓度完成检测后，还需要经过经验公式转换，但最终结果也并不能完全表达全血中的真实状况。而血液中目标物的准确检测，对于疾病的诊断和治疗来说，其重要性无需赘言。因此，对于血液等实际样品直接检测中的传感器电极表面生物污染己成为制约生物、医学、环境检测的关键科学问题之一。

[0003] 为了解决传感器电极表面的生物污染问题，科学家们开发出一系列抗生物粘附的材料与方法。例如，将抗炎药物如氟美松被包埋在电极表面的涂层内，以通过抗炎药物的缓慢释放抑制蛋白在电极表面的非特异性吸附。这种方法虽然体现很好的抗生物粘附特性，然而这种抗粘附只能在短期内有效，随着药物的消耗，这种涂层的抗蛋白污染效果会逐渐降低。近年来，一些两性离子型聚合物与亲水聚合物被广泛应用于抗生物蛋白粘附涂层，然而这些聚合物缺乏合适的结构难以长期锚定在导电基材表面。因此，发展合适的电极表面抗生物污染材料成为生物电极构建中的一大挑战。

发明内容

[0004] 针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种基于光敏透明质酸的抗生物污染涂层，并将其用于构建抗生物污染传感器电极的制备方法。透明质酸具有无免疫原性、生物相容性好、亲水性强的特性，本发明采用光敏透明质酸制备抗生物污染电极，光敏透明质酸在紫外光照下可以发生交联，从而可以有效增强涂层与电极的结合强度，而透明质酸作为涂层主体材料，可以有效抑制蛋白的非特异性吸附。本发明抗生物污染传感器电极对于实际样品的检测具有信号稳定性好、抗生物污染能力强、长期持续抗生物污染等优点。

[0005] 本发明的技术方案如下：

[0006] 一种传感器电极表面抗生物污染涂层的制备方法，光敏透明质酸的合成、抗生物污染涂层的制备的具体步骤如下：

[0007] (1)光敏透明质酸的合成

[0008] 将透明质酸(HA)溶解在水中，搅拌至完全溶解，形成透明质酸水溶液；顺次加入4-二甲氨基吡啶(DMAP)、光敏单体、四丁基溴化铵(TBAB)，室温反应12h～48h；将反应液用丙酮沉淀后，转入透析袋隔水透析；将透析好的溶液冷冻干燥，得到光敏透明质酸，避光储存备用；

[0009] (2)抗生物污染涂层的制备

[0010] 将步骤(1)中光敏透明质酸溶于水中，加入水溶性光引发剂，避光搅拌至形成澄清透明的光敏透明质酸水溶液；将光敏透明质酸涂覆在传感器电极表面，室温干燥后用紫外光照射使涂层发生交联，即在电极表面修饰抗生物污染涂层；将涂层修饰后的传感器电极在干燥环境下储存备用。

[0011] 所述步骤(1)中光敏单体为甲基丙烯酸缩水甘油酯、甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸酐、甲基丙烯酸缩水甘油醚中的一种；所述光敏单体与透明质酸中羧基含量的物质的量之比为0.2～100。

[0012] 所述步骤(2)中光敏透明质酸水溶液的浓度为0.5mg/mL～10mg/mL；所述光引发剂为水溶性光引发剂；光敏透明质酸涂覆方式为旋涂、刮涂、电沉积中的一种；

[0013] 所述步骤(2)中传感器电极基材可以为金、玻碳、碳浆、石墨烯、碳纳米管、碳纤维、ITO中的一种；传感器电极涂覆前需要预处理，预处理方法为：依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗；

[0014] 所述步骤(2)中紫外光照射条件为：紫外光源功率为10W～1000W，光源与涂层距离为1cm～10cm，照射时间为5min～60min。

[0015] 所述涂层修饰后的传感器电极需保存在干燥环境下。

[0016] 本发明有益的技术效果在于：

[0017] 1、本发明通过光敏单体改性透明质酸，并将这种光敏透明质酸修饰于传感器电极表面，以解决直接应用于原生样品检测时生物传感器表面生物污染的问题。光敏透明质酸合成简单，原料易得，易于实现工业化生产；光敏透明质酸保持了透明质酸本身的生物相容性与超亲水性，而光敏单体的引入使得其在制备涂层时可以通过光交联来稳定涂层的结构，从而使得制备的传感器电极具有长期稳定的抗生物污染能力。

[0018] 2、本发明在传感器电极表面制备的抗生物污染涂层具有稳定性好、抗生物污染能力强、不影响传感器的检测性能等优点。

[0019] 3、本发明制备的抗生物污染涂层适用性强，可广泛修饰于各类传感器电极表面，以解决传感器在实际样品检测中的生物蛋白与微生物的非特异性污染问题。

[0020] 4、本发明将高分子材料技术、生物涂层技术与电化学传感技术可构建新型、多样化电化学传感器，有望广泛应用于食品安全、生物医药、环保监测与生命安全等领域。

附图说明

[0021] 图1：本发明的传感器电极表面抗生物污染涂层的示意图；

[0022] 图2：本发明实施例1中光敏透明质酸HA-GMA的结构示意图；

[0023] 图3：本发明实施例1中抗生物污染涂层的水接触角测试图；

[0024] 图4：本发明实施例1中抗生物污染涂层的体外细胞实验图。

具体实施方式

[0025] 下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述。

[0026] 本发明的抗生物污染涂层的制备方法如图1所示，由图中可以看出，光敏透明质酸修饰传感器电极后，由于透明质酸的强亲水性，可以在电极表面形成水化层，从而可以抑制蛋白、微生物等生物污染物在电极表面的非特异性粘附。

[0027] 实施例1

[0028] 一种传感器电极表面抗生物污染涂层的制备方法，包括如下具体步骤：

[0029] (1)光敏透明质酸的合成

[0030] 将1.0g透明质酸(HA)溶解在水中，搅拌至完全溶解，形成透明质酸水溶液；顺次加入4-二甲氨基吡啶(DMAP)(物质的量为HA重复单元数的0.4倍)、甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)(10倍于HA重复单元数)、四丁基溴化铵(TBAB)(物质的量为HA重复单元数的0.8倍)，室温反应48h；将反应液用丙酮沉淀，转入透析袋隔水透析4d；将透析好的溶液冷冻干燥，得到光敏透明质酸HA-GMA，避光储存备用；

[0031] (2)抗生物污染涂层的制备

[0032] 将步骤(1)中50mg光敏透明质酸HA-GMA溶于10mL水中，加入水溶性光引发剂Irgacure2959(0.5wt％相对于HA-GMA)，避光搅拌至形成澄清透明的光敏透明质酸水溶液；施加2.0V电压下电沉积180s使光敏透明质酸沉积在ITO电极表面，室温干燥后用60W紫外光照射30min使涂层发生交联(光源与涂层距离1cm)，即在ITO电极表面修饰抗生物污染涂层；
将涂层修饰后的ITO电极在干燥环境下储存备用。

[0033] 实施例2

[0034] 一种传感器电极表面抗生物污染涂层的制备方法，包括如下具体步骤：

[0035] (1)光敏透明质酸的合成

[0036] 将0.5g透明质酸(HA)溶解在水中，搅拌至完全溶解，形成透明质酸水溶液；顺次加入4-二甲氨基吡啶(DMAP)(物质的量为HA重复单元数的1倍)、甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)(5倍于HA重复单元数)、四丁基溴化铵(TBAB)(物质的量为HA重复单元数的1倍)，室温反应24h；将反应液用丙酮沉淀，转入透析袋隔水透析7d；将透析好的溶液冷冻干燥，得到光敏透明质酸HA-GMA，避光储存备用；

[0037] (2)抗生物污染涂层的制备

[0038] 将步骤(1)中20mg光敏透明质酸HA-GMA溶于10mL水中，加入水溶性光引发剂Irgacure2959(1.0wt％相对于HA-GMA)，避光搅拌至形成澄清透明的光敏透明质酸水溶液；取20μL光敏透明质酸溶液积在玻碳电极表面(直径3mm)，室温干燥后用1000W紫外光照射
5min使涂层发生交联(光源与涂层距离5cm)，即在玻碳电极表面修饰抗生物污染涂层；将涂层修饰后的玻碳电极在干燥环境下储存备用。

[0039] 实施例3

[0040] 一种传感器电极表面抗生物污染涂层的制备方法，包括如下具体步骤：

[0041] (1)光敏透明质酸的合成

[0042] 将1g透明质酸(HA)溶解在水中，搅拌至完全溶解，形成透明质酸水溶液；顺次加入4-二甲氨基吡啶(DMAP)(物质的量为HA重复单元数的2倍)、甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)(20倍于HA重复单元数)、四丁基溴化铵(TBAB)(物质的量为HA重复单元数的4倍)，室温反应12h；
将反应液用丙酮沉淀，转入透析袋隔水透析7d；将透析好的溶液冷冻干燥，得到光敏透明质酸HA-HEMA，避光储存备用；

[0043] (2)抗生物污染涂层的制备

[0044] 将步骤(1)中100mg光敏透明质酸HA-HEMA溶于10mL水中，加入水溶性光引发剂Irgacure2959(0.5wt％相对于HA-HEMA)，避光搅拌至形成澄清透明的光敏透明质酸水溶液；取0.5mL光敏透明质酸溶液滴在ITO电极表面(长4cm*宽4cm)，随后利用匀胶机通过旋涂将HA-HEMA修饰在ITO电极表面；室温干燥后用300W紫外光照射20min使涂层发生交联(光源与涂层距离5cm)，即在玻碳电极表面修饰抗生物污染涂层；将涂层修饰后的玻碳电极在干燥环境下储存备用。

[0045] 测试例：

[0046] 抗生物污染涂层修饰电极的体外细胞实验

[0047] 按照实施例1中操作方法，将同一只ITO电极一部分表面涂覆光敏透明质酸HA-GMA，另一部分表面不涂覆任何材料。将该ITO用紫外光照消毒后，放入24孔培养版，每孔加入500μL含6×103个细胞的细胞悬液，将培养电极置于37℃、含5％CO2、相对湿度95％的烘箱中培养24h。接着取出后用无菌PBS冲洗两次，随后用戊二醛进行交联，干燥后使用扫描显微镜观察L929细胞在样品表面的粘附情况。

[0048] 结果如图4所示，由图4可以看出，未涂覆HA-GMA的ITO区域粘附大量L929细胞，而对HA-GMA涂覆ITO区域没有细胞粘附，由此证明，该抗生物污染涂层修饰的ITO电极表面具有优异的抗生物体非特异性吸附的能力。