组成图示
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传感器类型
压电(QCM)生物传感器
检测对象
碳水化合物（carbohydrates）/碳水化合物-AuNP结合物：甘露糖（mannose）、半乳糖（galactose）、葡萄糖（glucose）、岩藻糖（fucose）、麦芽糖（maltose）；样品基质：碳酸氢盐缓冲液（pH 8.3，0.1 M NaHCO3/0.5 M NaCl）
检测原理
在pH 8.3碳酸氢盐缓冲液中，硼酸聚合物表面的多价硼酸基团与碳水化合物顺式二羟基可逆形成环状硼酸酯键。碳水化合物经PEG-硫醇自组装到金纳米颗粒表面，形成多价碳水化合物-AuNP结合物。加入样品后，硼酸聚合物与碳水化合物-AuNP发生多价协同结合，提高结合亲和力与特异性，AuNP被捕获到QCM表面，使声学耦合质量增加。根据Sauerbrey方程，质量增加导致石英晶体共振频率下降，频率变化随碳水化合物-AuNP浓度增大而增大。AuNP作为质量放大载体，将小分子碳水化合物信号放大；多价硼酸与多价碳水化合物相互作用进一步放大响应。结合可逆，可用1 M醋酸解离再生。
检测灵敏度
LOD: 1.5 μM；线性范围: 23 μM–3.83 mM；相关系数: 0.98
效应效果
该传感器对五种碳水化合物表现出选择性结合，结合常数顺序为岩藻糖<葡萄糖<甘露糖<半乳糖<麦芽糖，其中麦芽糖Ka最高（4.06×10^3 M^-1），半乳糖3.33×10^3 M^-1，甘露糖1.85×10^3 M^-1，葡萄糖1.69×10^3 M^-1，岩藻糖1.61×10^3 M^-1。仅半胱胺修饰表面加甘露糖硫醇频率变化约2 Hz，硼酸聚合物表面加游离甘露糖硫醇约7 Hz，加入甘露糖-AuNP后约32 Hz，单独AuNP几乎无响应，表明结合主要由硼酸-碳水化合物相互作用贡献且AuNP显著放大信号。三次重复实验重现性优于84%；用1 M醋酸再生后至少10次循环无明显灵敏度下降；4°C保存10天后保留81%初始灵敏度。作者认为该传感器可用于糖生物学研究、碳水化合物分析和药物设计。
传感器的构成
- 基底/换能器：AT-cut Au 石英晶体（10 MHz，面积0.23 cm²），作为QCM换能器和金修饰基底
- 自组装单分子层：半胱胺（cysteamine, Cys）通过Au-S键在金表面形成氨基末端SAM，用于定向偶联
- 识别元件：含硼酸聚合物（boropolymer），链端氰酸酯（OCN）与氨基形成异脲键，多价硼酸基团识别碳水化合物
- 被测物/放大载体：碳水化合物硫醇（mannose/galactose/glucose/fucose/maltose thiols）经PEG链自组装到金纳米颗粒（AuNP）表面
- 信号放大元件：金纳米颗粒（AuNP，15/30/50 nm，30 nm最佳），增加结合质量并提高QCM频率响应
- 反应介质：碳酸氢盐缓冲液（pH 8.3，0.1 M NaHCO3/0.5 M NaCl），维持硼酸-碳水化合物可逆结合
- 再生剂：1 M醋酸（acetic acid），解离碳水化合物-硼酸酯键并再生硼酸聚合物表面
中文摘要
本文报道了一种基于多价相互作用的敏感碳水化合物生物传感器。将含硼酸聚合物（boropolymer）作为多价碳水化合物受体，通过异脲键形成定向固定于半胱胺修饰的石英晶体微天平（QCM）电极表面；将碳水化合物偶联到金纳米颗粒（AuNP）上，形成多价碳水化合物结构以放大响应信号。碳水化合物-AuNP与硼酸聚合物表面的结合具有多价性，可同时提高结合亲和力和特异性。系统研究了五种碳水化合物偶联AuNP与硼酸聚合物的结合，结合常数（Ka）顺序为岩藻糖<葡萄糖<甘露糖<半乳糖<麦芽糖。甘露糖-AuNP与硼酸聚合物识别元件在23 μM至3.83 mM范围内呈线性响应，碳水化合物分析物检出限为1.5 μM。此外，碳水化合物与硼酸之间的多价结合可逆，可用1 M醋酸再生硼酸聚合物表面，实现碳水化合物分析物的连续捕获与释放。
英文摘要
Multivalent interaction between boronic acids immobilized on quartz crystal microbalance (QCM) sensor surface and the carbohydrates modified Au-nanoparticle (AuNP) has been demonstrated for the development of a sensitive carbohydrate biosensor. Briefly, a boronic acid-containing polymer (boropolymer) as multivalent carbohydrate receptor was oriented immobilized on the cysteamine coated electrode through isourea bond formation. Carbohydrates were conjugated to AuNPs to generate a multivalent carbohydrates moiety to amplify the response signal. Thus, the binding of the carbohydrate conjugated AuNPs to the boropolymer surface are multivalent which could simultaneously increase the binding affinity and specificity. We systematically studied the binding between five carbohydrates conjugated AuNPs and the boropolymer. Our studies show that the associate constant (K(a)) was in the order of fucose<glucose<mannose<galactose<maltose. A linear response in the range from 23 μM to 3.83 mM was observed for mannose conjugated AuNPs and the boropolymer recognition elements, with the lower detection limit of 1.5 μM for the carbohydrate analytes. Furthermore, the multivalent binding between carbohydrates and boronic acids are reversible and allow the regeneration of boropolymer surface by using 1M acetic acid so as to sequentially capture and release the carbohydrate analytes.