碳纳米管修饰的纸传感器用于检测甲胎蛋白
周雪等
摘 要 根据碳纳米管能隙变化和管之间接触电阻变化引起碳纳米管整个网络体系导电性变化的原理，研制了一种基于碳纳米管的新型纸传感器，可灵敏检测甲胎蛋白（AFP）。利用F108对碳纳米管进行功能化改性，制备均匀、稳定的碳纳米管分散液，在分散液中加入AFP抗体，获得的碳纳米管-抗体溶液用于浸渍滤纸以使滤纸导电，通过测量由于免疫反应引起的纸传感器导电性变化，可实现AFP的快速、准确检测。浸渍12次的纸传感器的电阻变化值与AFP浓度在0.156～100 ng/mL之间呈现良好的线性关系，样品检测时间仅为5 min，并且在同一张纸条上可实现多次检测，使用方法简单，成本低廉，具有很高的灵敏度和选择性。用本法检测临床血清样品中AFP含量，结果与临床常用的ELISA法相比无显著性差异。
关键词 碳纳米管； 甲胎蛋白； 滤纸； 免疫传感器
1 引 言
甲胎蛋白（α-Fetoprotein， AFP）是一种分子量为69 kDa的糖蛋白，是原发性肝癌的标记物之一，血清中AFP的升高对原发性肝癌的诊断具有非常重要的意义[1，2]。正常人的血清中AFP的含量一般低于20 ng/mL，若明显升高则可能患有肝肿瘤。癌症的早期诊断对于癌症的成功治愈、患者成活率的提高至关重要。在癌症早期阶段，肿瘤标记物的含量非常低，而目前临床检测常用的大多数分析仪器所需的分析时间较长。为满足日益增多的癌症前期或癌症早期恶性病变临床筛查的需求，迫切需要发展可实现快速、高灵敏检测的微型仪器。
纳米技术的发展，以及随之而发展起来的新的纳米探针、纳米传感器和纳米分析体系大大扩展了生物传感技术在分子诊断中的应用。碳纳米管具有的独特的物理、化学、光学和电学性质，为光电信号传导和新一代生物电子/生物传感器件的设计提供了优良的平台[3]。特别是经DNA、酶、抗体等生物分子功能化的碳纳米管，既具有碳纳米管本身的大比表面积效应和优良的电传导性能，也具备生物分子的特异性识别能力，基于生物分子功能化的碳纳米管构建的生物传感器可以有效地加速信号传导，实现信号放大，提高检测的灵敏度和选择性，减少所需样品和试剂的用量。因此，将碳纳米管应用于免疫传感器已引起人们的广泛关注[4～6]。
目前，碳纳米管的免疫传感器研究主要是将其作为传感器的电极修饰材料，制作高特异性、高灵敏度的电化学免疫传感器[7～9]，然而，这类传感器通常需要使用价格比较昂贵的玻碳或者铂、金等贵金属作为电极材料，限制了其进一步的推广应用[10]。本研究采用廉价易得的标准化学分析滤纸为基底，利用碳纳米管/抗体混合液对滤纸进行包覆制作纸传感器，基于简单的抗原-抗体特异性反应的原理，通过检测纸传感器导电性的变化实现AFP含量的测定。制备的纸传感器灵敏度和检出限皆可媲美传统的ELISA试剂盒，且分析时间大大缩短，只需5 min即可得到样品的检测结果，适用于常规的癌症筛选。
2 实验部分
2.1 仪器与试剂
KQ-500DE超声清洗仪（昆山市超声仪器有限公司）；HT7700透射电子显微镜与S-3400N型扫描电子显微镜（日本日立公司）；Z-603S 3D打印机（深圳市极光尔沃科技有限公司）；DT-5302四线低电阻测量仪（深圳华盛昌机械实业有限公司）；
标准化学分析滤纸（杭州新华纸业有限公司）；单壁碳纳米管（SWCNTs，直径1～2 nm，长度5～30 μm，纯度>95%，中科院成都有机所）；Pluronic F108（PEO136-PPO45-PEO136，Mw=14600，FLuka公司）；AFP单克隆抗体及AFP（郑州博赛生物技术股份有限公司）；0.01 mol/L磷酸盐缓冲溶液（PBS，pH 7.4）；其余试剂均为分析纯，实验用水为超纯水。
2.2 碳纳米管-抗体溶液的制备
准确称取适量SWCNTs与1% （w/w）的F108溶液混合，在40 kHz条件下超声12 h使之分散，制备浓度为5 mg/mL的碳管分散液。在10 mL F108/SWCNTs分散液中直接加入AFP单抗1 μL，使抗体终浓度为1 μg/mL，于微量振荡器上振荡， 使抗体均匀分散在碳管液中，最终碳管与抗体质量比约为5000∶1。
2.3 免疫纸传感器的制备
将滤纸裁成5 cm×0.5 cm的滤纸条，浸入碳纳米管-抗体溶液中，使其与溶液充分接触，静置10 min后取出，低温干燥30 min，以便最大限度减小抗体的变性失活。重复上述浸渍-干燥循环，直至滤纸条上沉积足量的碳管和抗体。将干燥好的传感器置于4℃保存。利用扫描电镜对纸传感器进行表征。
2.4 甲胎蛋白的检测方法
用CAD2014软件设计滤纸夹持装置3D模型，再利用3D打印机制作其实体结构。利用夹持装置固定纸传感器，采用DT-5302四线低电阻测量仪作为检测仪器，检测时调至电阻档。测试时取1 μL样品滴至纸传感器上进行测定，样品滴加在传感器上会形成一个直径约为0.5 cm的浓缩、饱和的区域，在这个区域外围放置两个铜片电极，检测电阻变化。记录测量区域的起始电阻值与加样5 min内的最大电阻值，两者的差值记为ΔR，以此作为电阻对抗原浓度的信号响应的度量，衡量免疫反应前后纸传感器导电性的变化。3 结果与讨论
3.1 SWCNTs的电镜表征
由于SWCNTs的生物相容性及其在溶剂中的分散稳定性较差，常需要对SWCNTs进行生物功能化改性[11]，在碳纳米管表面包裹具有生物相容性的聚合物，是一种在碳管表面固定生物分子的一种有效手段[12]。F108是一种生物相容性好的高分子聚合物，其不仅可以防止碳纳米管的聚集，而且可以为进一步的生物分子功能化提供有效位点，保持抗体的生物构型及活性，对抗体起到一定的保护作用[13]。
利用透射电镜（TEM）观察分散前后SWCNTs的微观形貌。如图1a所示，最初的碳管比较长且相互缠绕，表面存在金属催化剂及无定形碳等杂质。从图1b可见，SWCNTs在F108溶液中呈现单根或小管束的分散状态，分散的碳管直径约为5 nm，碳管均匀分散在悬浮液中， 并且不再呈现聚集状，成为均匀、稳定的碳管分散液。
3.2 纸传感器的制作和形貌表征
经过浸渍-干燥循环，碳纳米管与抗体复合溶液一层层地包覆到滤纸表面，制作传感器的循环数即为滤纸上的沉积层数。从图2可以看出经过SWCNTs-抗体溶液的沉积，滤纸由白变黑的过程。
利用扫描电镜（SEM）观察包覆碳纳米管和抗体前后纸传感器的表面特征，比较空白滤纸与纸传感器表面形貌（图3）可见，空白滤纸表面粗糙的纸纤维，浸渍有碳管和抗体的滤纸上包覆了非常致密的碳纳米管和抗体层。由于SWCNTs本身即具有良好的导电性，滤纸条上不需要再添加其它任何导电性物质，将SWCNTs层层沉积到滤纸表面就能形成导电网络。并且随着SWCNTs沉积层数的增加，纸传感器的电阻不断减小，导电率不断提高，最终获得了高性能的导电传感器。
3.3 纸传感器的检测装置与工作原理
依据在纸传感器上滴加1 μL样品后样品扩散区域大小，设计如图4所示的纸传感器的检测装置，两个铜片电极间的检测区域为0.5 cm×0.5 cm，在一张纸条上可实现多次检测，大大降低了使用成本。
图5为本实验的原理示意图，当含有AFP的样品滴加于纸传感器时，样品中的AFP与滤纸上的抗体发生特异性结合，从而形成抗原-抗体免疫复合物，此复合物可将层层堆叠相邻的SWCNTs分开，使得碳管之间的间隙变大。由于碳管网络的电阻是由管间接触电阻和碳管本身的电阻两部份构成，所以碳管间间隙变大，会引起管间接触电阻的升高，从而引起整个碳纳米管网络体系导电性的巨大变化，外部表现为纸传感器电阻升高，纸传感器电阻的变化与样品中AFP的浓度相关联，因此可实现样品中AFP含量的检测。本研究制备的纸传感器的原理与文献＼[14＼] 报道的利用SWCNTs制备的灵敏度和特异性极高的检测目标蛋白的生物传感电子纺织物的原理相反。对于这种生物传感电子纺织物， 当溶液中有抗原存在时检测到的电流增大，这是因为SWCNTs-棉线传感器在检测目标物——血清白蛋白时，抗体从SWCNTs中脱落与溶液中的抗原进行了结合，使得碳管之间的间隙变小，从而降低了整个碳管网络的电阻。
3.4 浸渍次数的优化
本实验中，纸传感器在碳纳米管-抗体溶液中的浸渍次数是非常重要的参数，与纸传感器的灵敏度有关，也影响检测AFP抗原时的线性范围。实验结果表明，电阻变化值（ΔR）随纸传感器浸渍次数的增加而增大，即纸传感器的灵敏度逐渐提高。当浸渍次数增加到12次后，再继续增加浸渍次数，ΔR变化不大，表明滤纸表面负载量趋于饱和，因此，选择浸渍12次作为最适的浸渍次数。 图6 电阻变化值与AFP抗原浓度的关系
Fig.6 Linear relationship between resistance difference value and α-fetoprotein （AFP） concentration
3.5 纸传感器对AFP的响应性能
在优化的实验条件下，对不同浓度的AFP进行测定（图6）。随着AFP浓度的增加，纸传感器的ΔR逐渐变大，且ΔR与AFP浓度在0.156～100 ng/mL的浓度范围内有着良好的线性关系，其线性回归方程为ΔR=4.80c+4.82， R2=0.9969，检出限为0.156 ng/mL（3σ）。
3.6 纸传感器的特异性
特异性是衡量免疫传感器性能的重要指标。分别在纸传感器上滴加20 ng/mL AFP溶液（a）和含有20 ng/mL AFP以及模拟血清中可能存在的干扰物（癌胚抗原、免疫球蛋白、乙肝表面抗原、乙肝核心抗原以及牛血清白蛋白、抗坏血酸）溶液（b），在最佳条件下进行重复测定，记录ΔR，结果见表1。实验结果表明，两种溶液的电阻响应值无显著差异（p>0.05），表明此纸传感器的特异性好，抗干扰能力强。
3.7 纸传感器的重现性和稳定性分析
在同一张纸传感器上5个不同区域分别滴加20 ng/mL AFP抗原标准溶液，检测ΔR，5次测量的相对标准偏差（RSD）为3.5%；取不同批次制备的5个纸传感器，对20 ng/mL AFP抗原标准溶液进行检测，相对标准偏差（RSD）为9.3%，表明制备的纸传感器有较好的重现性。为考察纸传感器的稳定性，将制备的纸传感器置于4℃保存，定期检测电信号变化，4周后，其信号响应比较稳定，测定20 ng/mL AFP的响应值为 初始信号的95%，说明纸传感器具有较好的稳定性。
3.8 实际样品分析
为检验本方法对AFP检测的准确性，采集4份人血清样品，用纸传感器测定其中的AFP含量（表2）。与临床ELISA方法得到的结果相比，纸传感器显示了良好的准确性，两种方法的结果吻合，呈现良好的相关性。
结果表明，纸传感器方法操作简单、灵敏度高、特异性强，可用于临床血清样品中甲胎蛋白的检测。
References
1 Gillespie J R， Uversky V N. Biochim. Biophys. Acta， 2000， 1480（1-2）： 41-56
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8 WANG Li-Juan， JIA Cui-Juan. Journal of Instrumental Analysis， 2012， 31（7）： 843-847
王丽娟， 贾翠娟. 分析测试学报， 2012， 31（7）： 843-847
9 Che X， Yuan R， Chai Y， Li J， Song Z， Wang J. J. Colloid Interface Sci. 2010， 345（2）： 174-180
10 CHEN Xue-Mei， XIE Ai-Juan， KONG Yong， YANG Yan-Wei， DING Xiao-Feng， ZHOU Min. Chinese J. Anal. Chem.， 2013， 41（8）： 1199-1203
陈学梅， 谢爱娟， 孔 泳， 杨艳伟， 丁小峰， 周 民. 分析化学， 2013， 41（8）： 1199-1203
11 Lee J U， Huh J， Kim K H， Park C， Jo W H. Carbon， 2007， 45（5）： 1051-1057
12 Li J， Xiao L T， Zeng G M， Huang， G H， Shen G L， Yu R Q. Anal. Biochem.， 2003， 321（1）： 89-95
13 GONG Hou-Jian. Aggregation Behavior of Different Structure Block Polyether and Dispersion Effect for Single-walled Carbon Nanotubes， Shandong University Doctoral Thesis， 2011
宫厚健. 不同结构嵌段聚醚的聚集行为及对单壁碳纳米管的分散作用， 山东大学博士论文， 2011
14 Shim B S， Chen W， Doty C， Xu C L， Kotov N A. Nano Lett.， 2008， 8（12）： 4151-4157
摘 要 根据碳纳米管能隙变化和管之间接触电阻变化引起碳纳米管整个网络体系导电性变化的原理，研制了一种基于碳纳米管的新型纸传感器，可灵敏检测甲胎蛋白（AFP）。利用F108对碳纳米管进行功能化改性，制备均匀、稳定的碳纳米管分散液，在分散液中加入AFP抗体，获得的碳纳米管-抗体溶液用于浸渍滤纸以使滤纸导电，通过测量由于免疫反应引起的纸传感器导电性变化，可实现AFP的快速、准确检测。浸渍12次的纸传感器的电阻变化值与AFP浓度在0.156～100 ng/mL之间呈现良好的线性关系，样品检测时间仅为5 min，并且在同一张纸条上可实现多次检测，使用方法简单，成本低廉，具有很高的灵敏度和选择性。用本法检测临床血清样品中AFP含量，结果与临床常用的ELISA法相比无显著性差异。
关键词 碳纳米管； 甲胎蛋白； 滤纸； 免疫传感器
1 引 言
甲胎蛋白（α-Fetoprotein， AFP）是一种分子量为69 kDa的糖蛋白，是原发性肝癌的标记物之一，血清中AFP的升高对原发性肝癌的诊断具有非常重要的意义[1，2]。正常人的血清中AFP的含量一般低于20 ng/mL，若明显升高则可能患有肝肿瘤。癌症的早期诊断对于癌症的成功治愈、患者成活率的提高至关重要。在癌症早期阶段，肿瘤标记物的含量非常低，而目前临床检测常用的大多数分析仪器所需的分析时间较长。为满足日益增多的癌症前期或癌症早期恶性病变临床筛查的需求，迫切需要发展可实现快速、高灵敏检测的微型仪器。
纳米技术的发展，以及随之而发展起来的新的纳米探针、纳米传感器和纳米分析体系大大扩展了生物传感技术在分子诊断中的应用。碳纳米管具有的独特的物理、化学、光学和电学性质，为光电信号传导和新一代生物电子/生物传感器件的设计提供了优良的平台[3]。特别是经DNA、酶、抗体等生物分子功能化的碳纳米管，既具有碳纳米管本身的大比表面积效应和优良的电传导性能，也具备生物分子的特异性识别能力，基于生物分子功能化的碳纳米管构建的生物传感器可以有效地加速信号传导，实现信号放大，提高检测的灵敏度和选择性，减少所需样品和试剂的用量。因此，将碳纳米管应用于免疫传感器已引起人们的广泛关注[4～6]。
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2 实验部分
2.1 仪器与试剂
KQ-500DE超声清洗仪（昆山市超声仪器有限公司）；HT7700透射电子显微镜与S-3400N型扫描电子显微镜（日本日立公司）；Z-603S 3D打印机（深圳市极光尔沃科技有限公司）；DT-5302四线低电阻测量仪（深圳华盛昌机械实业有限公司）；
标准化学分析滤纸（杭州新华纸业有限公司）；单壁碳纳米管（SWCNTs，直径1～2 nm，长度5～30 μm，纯度>95%，中科院成都有机所）；Pluronic F108（PEO136-PPO45-PEO136，Mw=14600，FLuka公司）；AFP单克隆抗体及AFP（郑州博赛生物技术股份有限公司）；0.01 mol/L磷酸盐缓冲溶液（PBS，pH 7.4）；其余试剂均为分析纯，实验用水为超纯水。
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2.3 免疫纸传感器的制备
将滤纸裁成5 cm×0.5 cm的滤纸条，浸入碳纳米管-抗体溶液中，使其与溶液充分接触，静置10 min后取出，低温干燥30 min，以便最大限度减小抗体的变性失活。重复上述浸渍-干燥循环，直至滤纸条上沉积足量的碳管和抗体。将干燥好的传感器置于4℃保存。利用扫描电镜对纸传感器进行表征。
2.4 甲胎蛋白的检测方法
用CAD2014软件设计滤纸夹持装置3D模型，再利用3D打印机制作其实体结构。利用夹持装置固定纸传感器，采用DT-5302四线低电阻测量仪作为检测仪器，检测时调至电阻档。测试时取1 μL样品滴至纸传感器上进行测定，样品滴加在传感器上会形成一个直径约为0.5 cm的浓缩、饱和的区域，在这个区域外围放置两个铜片电极，检测电阻变化。记录测量区域的起始电阻值与加样5 min内的最大电阻值，两者的差值记为ΔR，以此作为电阻对抗原浓度的信号响应的度量，衡量免疫反应前后纸传感器导电性的变化。3 结果与讨论
3.1 SWCNTs的电镜表征
由于SWCNTs的生物相容性及其在溶剂中的分散稳定性较差，常需要对SWCNTs进行生物功能化改性[11]，在碳纳米管表面包裹具有生物相容性的聚合物，是一种在碳管表面固定生物分子的一种有效手段[12]。F108是一种生物相容性好的高分子聚合物，其不仅可以防止碳纳米管的聚集，而且可以为进一步的生物分子功能化提供有效位点，保持抗体的生物构型及活性，对抗体起到一定的保护作用[13]。
利用透射电镜（TEM）观察分散前后SWCNTs的微观形貌。如图1a所示，最初的碳管比较长且相互缠绕，表面存在金属催化剂及无定形碳等杂质。从图1b可见，SWCNTs在F108溶液中呈现单根或小管束的分散状态，分散的碳管直径约为5 nm，碳管均匀分散在悬浮液中， 并且不再呈现聚集状，成为均匀、稳定的碳管分散液。
3.2 纸传感器的制作和形貌表征
经过浸渍-干燥循环，碳纳米管与抗体复合溶液一层层地包覆到滤纸表面，制作传感器的循环数即为滤纸上的沉积层数。从图2可以看出经过SWCNTs-抗体溶液的沉积，滤纸由白变黑的过程。
利用扫描电镜（SEM）观察包覆碳纳米管和抗体前后纸传感器的表面特征，比较空白滤纸与纸传感器表面形貌（图3）可见，空白滤纸表面粗糙的纸纤维，浸渍有碳管和抗体的滤纸上包覆了非常致密的碳纳米管和抗体层。由于SWCNTs本身即具有良好的导电性，滤纸条上不需要再添加其它任何导电性物质，将SWCNTs层层沉积到滤纸表面就能形成导电网络。并且随着SWCNTs沉积层数的增加，纸传感器的电阻不断减小，导电率不断提高，最终获得了高性能的导电传感器。
3.3 纸传感器的检测装置与工作原理
依据在纸传感器上滴加1 μL样品后样品扩散区域大小，设计如图4所示的纸传感器的检测装置，两个铜片电极间的检测区域为0.5 cm×0.5 cm，在一张纸条上可实现多次检测，大大降低了使用成本。
图5为本实验的原理示意图，当含有AFP的样品滴加于纸传感器时，样品中的AFP与滤纸上的抗体发生特异性结合，从而形成抗原-抗体免疫复合物，此复合物可将层层堆叠相邻的SWCNTs分开，使得碳管之间的间隙变大。由于碳管网络的电阻是由管间接触电阻和碳管本身的电阻两部份构成，所以碳管间间隙变大，会引起管间接触电阻的升高，从而引起整个碳纳米管网络体系导电性的巨大变化，外部表现为纸传感器电阻升高，纸传感器电阻的变化与样品中AFP的浓度相关联，因此可实现样品中AFP含量的检测。本研究制备的纸传感器的原理与文献＼[14＼] 报道的利用SWCNTs制备的灵敏度和特异性极高的检测目标蛋白的生物传感电子纺织物的原理相反。对于这种生物传感电子纺织物， 当溶液中有抗原存在时检测到的电流增大，这是因为SWCNTs-棉线传感器在检测目标物——血清白蛋白时，抗体从SWCNTs中脱落与溶液中的抗原进行了结合，使得碳管之间的间隙变小，从而降低了整个碳管网络的电阻。
3.4 浸渍次数的优化
本实验中，纸传感器在碳纳米管-抗体溶液中的浸渍次数是非常重要的参数，与纸传感器的灵敏度有关，也影响检测AFP抗原时的线性范围。实验结果表明，电阻变化值（ΔR）随纸传感器浸渍次数的增加而增大，即纸传感器的灵敏度逐渐提高。当浸渍次数增加到12次后，再继续增加浸渍次数，ΔR变化不大，表明滤纸表面负载量趋于饱和，因此，选择浸渍12次作为最适的浸渍次数。 图6 电阻变化值与AFP抗原浓度的关系
Fig.6 Linear relationship between resistance difference value and α-fetoprotein （AFP） concentration
3.5 纸传感器对AFP的响应性能
在优化的实验条件下，对不同浓度的AFP进行测定（图6）。随着AFP浓度的增加，纸传感器的ΔR逐渐变大，且ΔR与AFP浓度在0.156～100 ng/mL的浓度范围内有着良好的线性关系，其线性回归方程为ΔR=4.80c+4.82， R2=0.9969，检出限为0.156 ng/mL（3σ）。
3.6 纸传感器的特异性
特异性是衡量免疫传感器性能的重要指标。分别在纸传感器上滴加20 ng/mL AFP溶液（a）和含有20 ng/mL AFP以及模拟血清中可能存在的干扰物（癌胚抗原、免疫球蛋白、乙肝表面抗原、乙肝核心抗原以及牛血清白蛋白、抗坏血酸）溶液（b），在最佳条件下进行重复测定，记录ΔR，结果见表1。实验结果表明，两种溶液的电阻响应值无显著差异（p>0.05），表明此纸传感器的特异性好，抗干扰能力强。
3.7 纸传感器的重现性和稳定性分析
在同一张纸传感器上5个不同区域分别滴加20 ng/mL AFP抗原标准溶液，检测ΔR，5次测量的相对标准偏差（RSD）为3.5%；取不同批次制备的5个纸传感器，对20 ng/mL AFP抗原标准溶液进行检测，相对标准偏差（RSD）为9.3%，表明制备的纸传感器有较好的重现性。为考察纸传感器的稳定性，将制备的纸传感器置于4℃保存，定期检测电信号变化，4周后，其信号响应比较稳定，测定20 ng/mL AFP的响应值为 初始信号的95%，说明纸传感器具有较好的稳定性。
3.8 实际样品分析
为检验本方法对AFP检测的准确性，采集4份人血清样品，用纸传感器测定其中的AFP含量（表2）。与临床ELISA方法得到的结果相比，纸传感器显示了良好的准确性，两种方法的结果吻合，呈现良好的相关性。
结果表明，纸传感器方法操作简单、灵敏度高、特异性强，可用于临床血清样品中甲胎蛋白的检测。
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