基于結構色水凝膠的生物傳感器應用方案

引言

生物傳感器作為一種新興的檢測技術，具有快速、準確、經濟高效等優點，在醫學診斷、環境監測、食品安全等領域具有廣泛的應用潛力。結構色水凝膠作為一種新型的生物傳感材料，因其獨特的物理和化學性質，在生物傳感領域展現出巨大的應用前景。本文將詳細介紹基于結構色水凝膠的生物傳感器應用方案，并探討主控芯片在其中的作用及具體型號。

結構色水凝膠的基本原理

結構色水凝膠是一種通過引入光子晶體結構而具有顏色變化特性的水凝膠。其基本原理是利用揮發性硫化物等目標分子與水凝膠中的特定化學鍵（如二硫鍵）發生反應，導致水凝膠網絡結構的變化，進而引起光子晶體的晶格間距變化，使結構色水凝膠的顏色發生變化。這種顏色變化可以通過肉眼觀察或光學儀器檢測，實現對目標分子的高靈敏度和可視化傳感。

結構色水凝膠的制備

結構色水凝膠的制備通常包括以下幾個步驟：

1. 合成含二硫鍵交聯劑：首先合成親水性的含二硫鍵交聯劑，如N,N'-雙丙烯酰-L-胱氨酸（BISS）。

2. 制備水凝膠預聚液：將交聯劑加入水凝膠預聚液中，形成含有二硫鍵的交聯網絡。

3. 引入光子晶體結構：通過共聚或其他方法，在水凝膠中引入光子晶體結構，使其具有結構色。

4. 固化成型：通過適當的固化條件，使水凝膠固化成型，得到具有結構色的水凝膠傳感器。

結構色水凝膠生物傳感器的應用

基于結構色水凝膠的生物傳感器在多個領域具有廣泛的應用，以下將詳細介紹其在口臭檢測、癌癥檢測和急性心梗篩查中的應用。

1. 口臭檢測

四川大學李建樹教授、秦萌副研究員團隊設計了一種結構色水凝膠生物傳感器用于口氣中揮發性硫化物的高靈敏可視化檢測。該傳感器通過檢測揮發性硫化物（如硫化氫）的濃度，實現對口臭的診斷和牙周炎的篩查。

• 檢測原理：揮發性硫化物具有還原性，可以切斷水凝膠網絡中的二硫鍵，使水凝膠的交聯密度降低，吸水溶脹同時帶動光子晶體的晶格間距增加，導致結構色水凝膠的光子禁帶紅移，從而實現對揮發性硫化物的可視化傳感。

• 檢測結果：該結構色水凝膠可以實現0 ppm ~ 1 ppm的揮發性硫化物的線性檢測，涵蓋了牙周炎患者呼出氣體中揮發性硫化物的濃度范圍，檢測限可達61 ppb。同時，該傳感器還可以對牙周炎病原體（如牙齦卟啉單胞菌）的增殖過程進行實時和原位的可視化監測，其結果與常用的比濁法一致。

• 臨床應用：將結構色水凝膠用于檢測口臭患者呼出揮發性硫化物的濃度，其檢測結果與臨床診斷一致。該傳感器可以與手機聯用，通過分析樣品照片的顏色自動給出檢測結果，與基于Halimeter口氣測量儀的結果相比，準確率可達95%。

2. 癌癥檢測

水凝膠作為一種新型的生物材料，具有獨特的物理和化學性質，可與生物傳感器相結合，提高其性能。基于水凝膠的癌癥生物傳感器在癌癥檢測中具有巨大的應用潛力。

• 肽水凝膠生物傳感器：肽水凝膠由氨基酸鏈組成，是一種天然的自組裝材料，具有可設計、可生物降解、無毒、廉價和低免疫原性等優點。例如，Wang等人設計了一種基于PEDOT-肽的水凝膠生物傳感器，用于檢測乳腺癌標志物HER2。該傳感器通過固定HER2抗體并在水凝膠中封裝HRP，實現對HER2的選擇性識別。HER2與抗體結合后會形成復合物，影響電子傳遞，從而導致電流信號變化。利用差分脈沖伏安法測量電流變化，可實現HER2的定量檢測，檢測限為45 pg/mL，線性范圍從0.1 ng/mL到1.0 μg/mL。

• DNA水凝膠生物傳感器：DNA水凝膠由DNA分子交聯和雜交形成的高度交聯聚合物網絡，具有機械剛性、生物相容性、可生物降解、高物理化學穩定性和可編程性等優點。例如，Si等人制備了一種基于目標微小RNA（miRNA）-響應DNA水凝膠的表面增強拉曼散射（SERS）傳感器陣列，用于檢測多種癌癥相關miRNAs。該傳感器陣列通過將鏈霉親和素（streptavidin）修飾在傳感器表面，并制備目標miRNA-響應DNA水凝膠，實現了對miRNAs的檢測。當目標miRNA存在時，相應傳感單元的DNA水凝膠會解體，使SERS標簽能夠通過水凝膠并被捕獲在鏈霉親和素修飾的檢測表面，從而產生強烈的拉曼信號。

• 導電聚合物水凝膠（CPHs）：導電聚合物水凝膠將導電聚合物和水凝膠的優點相結合，具有良好的電學和機械性能，廣泛應用于生物醫學領域，尤其是生物傳感。例如，Huang等人設計了一種結合納米結構CPH與金納米粒子（AuNPs）的無標記電化學免疫傳感器，用于檢測癌胚抗原（CEA）。該傳感器利用纖維素納米晶和苯磺酸鈉摻雜的聚吡咯與AuNPs及抗CEA抗體構建在玻璃碳電極上，實現對CEA的高度敏感檢測。CEA與抗體結合后形成的復合物會影響電子傳遞，造成電流信號降低。該傳感器的檢測限為0.06 fg/mL，檢測范圍從1 fg/mL到200 ng/mL。

3. 急性心梗篩查

哈爾濱工業大學潘昀路教授課題組提出了一種水凝膠-石墨烯三維生物傳感器構型，用于急性心梗的快速篩查。該傳感器將超浸潤多孔水凝膠、核酸適配體與石墨烯場效應管有機結合，實現了對表面微量蛋白濃度變化的高效敏感。

• 檢測原理：利用高穩定性、高特異性的核酸適配體解決了抗體穩定性較差的問題；利用超浸潤多孔水凝膠的自過濾、自清潔功能解決了血液中大分子蛋白和脂類對石墨烯敏感表面的影響；利用石墨烯場效應管實現了對表面微量蛋白濃度變化的高效敏感。

• 檢測結果：該傳感器可在7分鐘內判定全血樣本是否為高風險樣本，準確率高達94%。由于該器件兼具高穩定性、小巧方便等特點，可應用于家庭、社區對急性心梗的即時、即地快速篩查，有望大幅降低急性心梗的致死率。

主控芯片在結構色水凝膠生物傳感器中的作用及型號

主控芯片在結構色水凝膠生物傳感器中起著至關重要的作用，它負責數據的采集、處理和分析，以及傳感器的控制和通信。以下將詳細介紹幾種常用的主控芯片型號及其作用。

1. MSP430系列微控制器

• 型號：MSP430G2553

• 作用：MSP430系列微控制器是德州儀器（TI）推出的一款低功耗、高性能的16位微控制器。它具有豐富的外設資源，如ADC（模數轉換器）、UART（通用異步收發傳輸器）、SPI（串行外設接口）等，可以滿足結構色水凝膠生物傳感器的數據采集和通信需求。同時，其低功耗特性使得傳感器能夠長時間工作而不需要頻繁更換電池。

2. STM32系列微控制器

• 型號：STM32F103C8T6

• 作用：STM32系列微控制器是意法半導體（STMicroelectronics）推出的一款基于ARM Cortex-M3內核的32位微控制器。它具有強大的計算能力和豐富的外設資源，如高速ADC、多個UART、I2C（兩線式串行總線）、SPI等。STM32F103C8T6型號還集成了USB接口，方便與計算機或其他設備進行數據傳輸。在結構色水凝膠生物傳感器中，STM32系列微控制器可以用于復雜的數據處理算法和高級通信協議的實現。

3. Arduino系列微控制器

• 型號：Arduino Uno R3

• 作用：Arduino系列微控制器是一款開源的硬件和軟件平臺，適用于快速原型開發和嵌入式系統設計。Arduino Uno R3型號采用ATmega328P微控制器，具有14個數字輸入/輸出引腳（其中6個可用于PWM輸出）、6個模擬輸入引腳、一個USB接口等。Arduino平臺提供了豐富的庫函數和示例代碼，使得開發者可以輕松地實現結構色水凝膠生物傳感器的數據采集、處理和通信功能。

4. ESP32系列微控制器

• 型號：ESP32-WROOM-32

• 作用：ESP32系列微控制器是Espressif Systems推出的一款低功耗、高性能的32位微控制器，集成了Wi-Fi和藍牙功能。ESP32-WROOM-32型號具有4個UART、兩個SPI、兩個I2C、兩個I2S等豐富的外設資源，以及高速ADC和DAC（數模轉換器）。在結構色水凝膠生物傳感器中，ESP32系列微控制器不僅可以實現數據采集和處理功能，還可以通過Wi-Fi或藍牙將數據傳輸到智能手機或云端服務器進行遠程監控和分析。

結論

基于結構色水凝膠的生物傳感器在口臭檢測、癌癥檢測和急性心梗篩查等領域具有廣泛的應用前景。主控芯片作為傳感器的核心部件，在數據采集、處理和分析以及傳感器控制和通信方面發揮著至關重要的作用。本文介紹了MSP430系列、STM32系列、Arduino系列和ESP32系列等幾種常用的主控芯片型號及其作用，為基于結構色水凝膠的生物傳感器的設計和開發提供了參考。未來，隨著材料科學和微電子技術的不斷發展，基于結構色水凝膠的生物傳感器將具有更加廣闊的應用前景和更加優異的性能表現。