在光波导上选择性沉积含有反应性基团的功能化聚L-赖氨酸以实现DNA检测

《ACS Omega》：Material-Selective Deposition of Reactive Group-Functionalized Poly-l-lysine for DNA Sensing at Optical Waveguides

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　　在现代生物传感技术的发展过程中，实现生物标志物在传感器敏感区域内的精准定位是提升检测性能和减少非敏感区域中分析物损失的关键。传统方法通常依赖于材料选择性涂层，这些涂层能够在特定区域进行生物功能化处理，同时阻止其他区域的非特异性结合。然而，现有的材料选择性涂层在化学反应性方面存在一定的局限，这使得它们在多样性和可控性方面受到制约。为了解决这一问题，研究人员提出了一种基于聚-L-赖氨酸（PLL）支架的新型选择性涂层策略，这种方法不仅保留了商用羧酸（COOH）基涂层的材料选择性特性，还能够实现模块化的表面功能化。这种策略为生物传感器提供了更灵活、可调节的表面修饰方案，从而提升了空间分辨率和探针密度的控制能力。

### 生物传感的重要性

生物传感技术在分子检测领域具有重要的应用价值，它能够对生物标志物进行高精度分析，满足对生物分子检测的高灵敏度和高特异性需求。随着研究的深入，检测的灵敏度需求也在不断提升，特别是在疾病早期诊断、环境监测和生物分子研究等应用中，对分析物浓度的要求日益降低。然而，实现这一目标面临诸多挑战，其中一个重要问题是分析物在非敏感区域的非特异性吸附。这种非特异性结合不仅降低了实际可用于检测的分析物浓度，还增加了背景信号，从而影响了测量的准确性。因此，如何设计一种能够有效限制生物分子仅在敏感区域结合的表面修饰方法，成为提升生物传感器性能的关键。

### 材料选择性涂层的现状

为了克服非特异性吸附的问题，许多研究致力于开发材料选择性涂层。这些涂层能够选择性地在特定材料表面形成功能化层，而其他区域则保持非功能化状态，从而减少背景干扰。例如，原子层沉积（ALD）和分子层沉积（MLD）技术已经被广泛应用于纳米尺度薄膜的制备，具有良好的可控性和兼容性。此外，自组装单分子层（SAMs）技术也因其能够实现特定反应基团的选择性固定和抗污染特性而受到关注。近年来，研究人员还开发了基于二甲基亚砜（DMSO）和磷酸盐缓冲液（PBS）的“智能”聚多巴胺涂层，这种涂层能够通过调节化学反应条件来实现对硅氧化物（SiO?）表面的特定修饰。

在光子生物传感器中，材料选择性涂层的应用尤为关键。例如，商用涂层可以在硅氮化物（Si?N?）波导表面引入羧酸基团，而在周围非敏感区域形成聚乙二醇（PEG）抗污染层。这种方法能够在复杂的生物环境中实现对特定区域的精准修饰，从而提高生物分子的结合效率和信号检测的准确性。然而，目前的材料选择性涂层在可控性和可调节性方面仍存在不足，尤其是在实现可控探针密度和可重复性方面面临挑战。因此，研究人员正在探索更灵活的表面修饰策略，以满足多样化的生物传感需求。

### PLL支架的选择性涂层策略

在本研究中，研究人员采用了一种基于PLL的中间层修饰策略，结合材料选择性涂层的优势，实现了对生物分子的精准定位。PLL作为一种具有高度反应性的多肽，能够在多种材料表面通过静电相互作用形成稳定的薄膜。同时，PLL的侧链可以被功能化，使其能够与特定的生物分子结合，从而实现更精确的表面修饰。通过在PLL中引入可控密度的寡乙二醇（OEG）和环烯烃（如DBCO和BCN），研究人员能够在保持材料选择性的同时，实现对探针密度的精确控制。

为了验证这一策略的有效性，研究人员在不同材料选择性涂层的传感器表面进行了实验。实验结果显示，当使用DBCO修饰的PLL时，其在材料选择性涂层上的吸附能力显著增强，形成了更厚的层。相比之下，BCN修饰的PLL在不同修饰密度下均能形成均匀的覆盖层，这表明其在空间选择性方面具有更好的适应性。此外，研究人员还通过局部滴定技术优化了探针的结合条件，使得在非敏感区域的结合被有效抑制，从而实现了更精确的生物分子定位。

### 非特异性结合的控制

为了进一步验证该策略的非特异性结合控制能力，研究人员在不同的条件下进行了实验。结果显示，当使用BCN修饰的PLL时，其在非敏感区域（如SiO?）的结合被有效阻断，而仅在敏感区域（如Si?N?波导）形成稳定的结合层。这一发现表明，BCN修饰的PLL能够更好地保留材料选择性特性，同时提供更高的表面修饰可控性。此外，研究人员还通过调整探针的浓度和结合时间，优化了生物分子的结合效率，使得在不同条件下都能实现良好的信号响应。

### 液体流动与信号响应

在生物传感器的使用过程中，液体流动的控制对于信号的稳定性和重复性至关重要。为了实现这一目标，研究人员采用了自动化流体控制系统，确保在不同步骤中能够稳定地引入和移除液体。例如，在探针结合和目标分子杂交过程中，研究人员使用了高离子强度的缓冲液（如4x SSC），以减少静电排斥效应，提高结合效率。此外，通过实时监测aMZI信号的变化，研究人员能够准确评估表面修饰的密度和结合效率，为后续的优化提供了依据。

### 未来发展方向

尽管目前的材料选择性涂层策略已经取得了一定的进展，但仍有许多可以改进的空间。例如，进一步优化探针结合的反应条件，提高结合效率和信号稳定性，是未来研究的重要方向。此外，结合其他生物正交化学反应（如TCO-四氮唑反应、生物素-亲和素结合等）可以拓宽材料选择性涂层的应用范围，使其适用于更广泛的生物分子检测需求。通过引入放大技术或等离子体增强方法，还可以进一步提升传感器的灵敏度和动态范围，从而推动其在临床诊断和环境监测等领域的应用。

总之，本研究提出了一种基于PLL支架的材料选择性涂层策略，通过结合材料选择性涂层和可调节的表面功能化，实现了对生物分子的精准定位和可控结合。这一方法不仅提高了生物传感器的性能，还为未来的生物分子检测提供了新的思路和工具。