电渗流辅助的液态传感膜在单细胞电分析中的应用

Measuring more biomolecules at single cell level is of great value for analytical chemistry in life science. The current micro/nanoelectrodes modified with solid-state sensing membrane have the limited ability to analyse multiple molecules with sufficient sensitivity. Based on our performance in the past years, an electroosmotic flow assisted liquid sensing layer is proposed to be developed at the tip of nano-pipette with ring electrode, in which all the recognition components in the capillary are egressed at the tip through electroosmotic flow and react with the analyte to generate hydrogen peroxide for electrochemical quantification. This new strategy utilizes the well-developed kits for the electrochemical analysis of biomolecules at subcellular and single cell level that should advance the development of electrochemical technology in the field of single cell analysis.

在单细胞层面实现对多种生物分子的测量对于生命分析化学具有重要价值；而目前基于固态生物传感膜的微纳电极在检测分子的种类和灵敏度上均有欠缺。申请人基于在纳米毛细管电极多年研究工作，提出在纳米电极表面建立“电渗流辅助的液态传感层”。将包含多种识别分子的溶液(试剂盒组分)注入纳米开口的毛细管中，借助毛细管内形成的电渗流向管外推出纳米厚度的溶液，在毛细管尖端纳米环状电极表面形成近稳态的液态传感层；利用被检生物分子在该液态传感层发生化学反应产生的电活性产物（如过氧化氢），加以电化学分析。这种新型修饰策略可将生物实验室开发成熟的各种试剂盒直接引入纳米电极界面，实现对单细胞及亚细胞层面更多种生物分子的测定，从而有助于提升电化学技术在单细胞分析领域的能力。

化学修饰微纳电极是单细胞分析重要的研究工具之一，可将诸多组分（酶、蛋白、DNA等）在电极表面组装成高识别/转化能力的传感膜，对细胞内电活性分子（活性氧和神经递质等）进行定量测定，具有对细胞活性干扰小及高时空分辨率的优点。然而修饰或者固定方法还很难将多种识别/转化组分（尤其是不含修饰官能团的组分）组装在电极表面，因此可识别的分子种类非常有限。为此，本项目构建了电渗流辅助的液态生物传感膜，将多种转化组分输送到电极表面，实现了对单个细胞内多种生物分子的定量分析，有效解决该技术难题。与此同时，细胞中很多关键生物分子的含量很低，利用经典化学修饰电极方法进行检测时需设计化学放大策略。本项目发展的液态生物传感膜可维持各种酶和蛋白组分的溶剂化状态，最大程度的维持其原有的生物活性，提高对被检分子的转化效率，获取更大的信号，以提高检测的灵敏度。最终，本项目利用纳米电极天然的小尺度和液体生物传感膜提供的高检测能力，对单个细胞微区中生物分子进行分析，以了解分子在细胞中分布特征。研究结果展示了各种生物分子在单个细胞内分布的异质性，这一研究成果为深入理解细胞内生物分子的功能具有重要的指导意义。项目通过4年研究，共发表SCI 论文15 篇 (其中Fundamental Research 1 篇；CCS Chem 1 篇；Research 1 篇；JACS 1 篇；Angew Chem 1 篇；Chem Sci 2 篇；Anal Chem 4 篇)。研究成果发表后，引起了国内外同行的关注。总体而言，项目严格根据任务书计划进行，历经4年研究，顺利完成项目任务。