基于结构色水凝胶的生物传感器应用方案

引言

生物传感器作为一种新兴的检测技术，具有快速、准确、经济高效等优点，在医学诊断、环境监测、食品安全等领域具有广泛的应用潜力。结构色水凝胶作为一种新型的生物传感材料，因其独特的物理和化学性质，在生物传感领域展现出巨大的应用前景。本文将详细介绍基于结构色水凝胶的生物传感器应用方案，并探讨主控芯片在其中的作用及具体型号。

结构色水凝胶的基本原理

结构色水凝胶是一种通过引入光子晶体结构而具有颜色变化特性的水凝胶。其基本原理是利用挥发性硫化物等目标分子与水凝胶中的特定化学键（如二硫键）发生反应，导致水凝胶网络结构的变化，进而引起光子晶体的晶格间距变化，使结构色水凝胶的颜色发生变化。这种颜色变化可以通过肉眼观察或光学仪器检测，实现对目标分子的高灵敏度和可视化传感。

结构色水凝胶的制备

结构色水凝胶的制备通常包括以下几个步骤：

1. 合成含二硫键交联剂：首先合成亲水性的含二硫键交联剂，如N,N'-双丙烯酰-L-胱氨酸（BISS）。

2. 制备水凝胶预聚液：将交联剂加入水凝胶预聚液中，形成含有二硫键的交联网络。

3. 引入光子晶体结构：通过共聚或其他方法，在水凝胶中引入光子晶体结构，使其具有结构色。

4. 固化成型：通过适当的固化条件，使水凝胶固化成型，得到具有结构色的水凝胶传感器。

结构色水凝胶生物传感器的应用

基于结构色水凝胶的生物传感器在多个领域具有广泛的应用，以下将详细介绍其在口臭检测、癌症检测和急性心梗筛查中的应用。

1. 口臭检测

四川大学李建树教授、秦萌副研究员团队设计了一种结构色水凝胶生物传感器用于口气中挥发性硫化物的高灵敏可视化检测。该传感器通过检测挥发性硫化物（如硫化氢）的浓度，实现对口臭的诊断和牙周炎的筛查。

• 检测原理：挥发性硫化物具有还原性，可以切断水凝胶网络中的二硫键，使水凝胶的交联密度降低，吸水溶胀同时带动光子晶体的晶格间距增加，导致结构色水凝胶的光子禁带红移，从而实现对挥发性硫化物的可视化传感。

• 检测结果：该结构色水凝胶可以实现0 ppm ~ 1 ppm的挥发性硫化物的线性检测，涵盖了牙周炎患者呼出气体中挥发性硫化物的浓度范围，检测限可达61 ppb。同时，该传感器还可以对牙周炎病原体（如牙龈卟啉单胞菌）的增殖过程进行实时和原位的可视化监测，其结果与常用的比浊法一致。

• 临床应用：将结构色水凝胶用于检测口臭患者呼出挥发性硫化物的浓度，其检测结果与临床诊断一致。该传感器可以与手机联用，通过分析样品照片的颜色自动给出检测结果，与基于Halimeter口气测量仪的结果相比，准确率可达95%。

2. 癌症检测

水凝胶作为一种新型的生物材料，具有独特的物理和化学性质，可与生物传感器相结合，提高其性能。基于水凝胶的癌症生物传感器在癌症检测中具有巨大的应用潜力。

• 肽水凝胶生物传感器：肽水凝胶由氨基酸链组成，是一种天然的自组装材料，具有可设计、可生物降解、无毒、廉价和低免疫原性等优点。例如，Wang等人设计了一种基于PEDOT-肽的水凝胶生物传感器，用于检测乳腺癌标志物HER2。该传感器通过固定HER2抗体并在水凝胶中封装HRP，实现对HER2的选择性识别。HER2与抗体结合后会形成复合物，影响电子传递，从而导致电流信号变化。利用差分脉冲伏安法测量电流变化，可实现HER2的定量检测，检测限为45 pg/mL，线性范围从0.1 ng/mL到1.0 μg/mL。

• DNA水凝胶生物传感器：DNA水凝胶由DNA分子交联和杂交形成的高度交联聚合物网络，具有机械刚性、生物相容性、可生物降解、高物理化学稳定性和可编程性等优点。例如，Si等人制备了一种基于目标微小RNA（miRNA）-响应DNA水凝胶的表面增强拉曼散射（SERS）传感器阵列，用于检测多种癌症相关miRNAs。该传感器阵列通过将链霉亲和素（streptavidin）修饰在传感器表面，并制备目标miRNA-响应DNA水凝胶，实现了对miRNAs的检测。当目标miRNA存在时，相应传感单元的DNA水凝胶会解体，使SERS标签能够通过水凝胶并被捕获在链霉亲和素修饰的检测表面，从而产生强烈的拉曼信号。

• 导电聚合物水凝胶（CPHs）：导电聚合物水凝胶将导电聚合物和水凝胶的优点相结合，具有良好的电学和机械性能，广泛应用于生物医学领域，尤其是生物传感。例如，Huang等人设计了一种结合纳米结构CPH与金纳米粒子（AuNPs）的无标记电化学免疫传感器，用于检测癌胚抗原（CEA）。该传感器利用纤维素纳米晶和苯磺酸钠掺杂的聚吡咯与AuNPs及抗CEA抗体构建在玻璃碳电极上，实现对CEA的高度敏感检测。CEA与抗体结合后形成的复合物会影响电子传递，造成电流信号降低。该传感器的检测限为0.06 fg/mL，检测范围从1 fg/mL到200 ng/mL。

3. 急性心梗筛查

哈尔滨工业大学潘昀路教授课题组提出了一种水凝胶-石墨烯三维生物传感器构型，用于急性心梗的快速筛查。该传感器将超浸润多孔水凝胶、核酸适配体与石墨烯场效应管有机结合，实现了对表面微量蛋白浓度变化的高效敏感。

• 检测原理：利用高稳定性、高特异性的核酸适配体解决了抗体稳定性较差的问题；利用超浸润多孔水凝胶的自过滤、自清洁功能解决了血液中大分子蛋白和脂类对石墨烯敏感表面的影响；利用石墨烯场效应管实现了对表面微量蛋白浓度变化的高效敏感。

• 检测结果：该传感器可在7分钟内判定全血样本是否为高风险样本，准确率高达94%。由于该器件兼具高稳定性、小巧方便等特点，可应用于家庭、社区对急性心梗的即时、即地快速筛查，有望大幅降低急性心梗的致死率。

主控芯片在结构色水凝胶生物传感器中的作用及型号

主控芯片在结构色水凝胶生物传感器中起着至关重要的作用，它负责数据的采集、处理和分析，以及传感器的控制和通信。以下将详细介绍几种常用的主控芯片型号及其作用。

1. MSP430系列微控制器

• 型号：MSP430G2553

• 作用：MSP430系列微控制器是德州仪器（TI）推出的一款低功耗、高性能的16位微控制器。它具有丰富的外设资源，如ADC（模数转换器）、UART（通用异步收发传输器）、SPI（串行外设接口）等，可以满足结构色水凝胶生物传感器的数据采集和通信需求。同时，其低功耗特性使得传感器能够长时间工作而不需要频繁更换电池。

2. STM32系列微控制器

• 型号：STM32F103C8T6

• 作用：STM32系列微控制器是意法半导体（STMicroelectronics）推出的一款基于ARM Cortex-M3内核的32位微控制器。它具有强大的计算能力和丰富的外设资源，如高速ADC、多个UART、I2C（两线式串行总线）、SPI等。STM32F103C8T6型号还集成了USB接口，方便与计算机或其他设备进行数据传输。在结构色水凝胶生物传感器中，STM32系列微控制器可以用于复杂的数据处理算法和高级通信协议的实现。

3. Arduino系列微控制器

• 型号：Arduino Uno R3

• 作用：Arduino系列微控制器是一款开源的硬件和软件平台，适用于快速原型开发和嵌入式系统设计。Arduino Uno R3型号采用ATmega328P微控制器，具有14个数字输入/输出引脚（其中6个可用于PWM输出）、6个模拟输入引脚、一个USB接口等。Arduino平台提供了丰富的库函数和示例代码，使得开发者可以轻松地实现结构色水凝胶生物传感器的数据采集、处理和通信功能。

4. ESP32系列微控制器

• 型号：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和蓝牙功能。ESP32-WROOM-32型号具有4个UART、两个SPI、两个I2C、两个I2S等丰富的外设资源，以及高速ADC和DAC（数模转换器）。在结构色水凝胶生物传感器中，ESP32系列微控制器不仅可以实现数据采集和处理功能，还可以通过Wi-Fi或蓝牙将数据传输到智能手机或云端服务器进行远程监控和分析。

结论

基于结构色水凝胶的生物传感器在口臭检测、癌症检测和急性心梗筛查等领域具有广泛的应用前景。主控芯片作为传感器的核心部件，在数据采集、处理和分析以及传感器控制和通信方面发挥着至关重要的作用。本文介绍了MSP430系列、STM32系列、Arduino系列和ESP32系列等几种常用的主控芯片型号及其作用，为基于结构色水凝胶的生物传感器的设计和开发提供了参考。未来，随着材料科学和微电子技术的不断发展，基于结构色水凝胶的生物传感器将具有更加广阔的应用前景和更加优异的性能表现。