張晉瑄，羅建泉，任重遠，張昊，陳向榮，萬印華

生物工程與大健康

羅建泉 生化工程國家重點實驗室主任助理、研究員、博士生導(dǎo)師。長期從事膜分離和酶催化相關(guān)研究。近5年已發(fā)表SCI收錄論文72篇，其中第一或通訊作者34篇；申請中國專利17項，PCT國際專利2項；獲第三屆閔恩澤能源化工獎“青年進步獎”，第十屆侯德榜化工科學(xué)技術(shù)青年獎，首屆“中國膜科技中青年突出貢獻專家”稱號?，F(xiàn)任中國膜工業(yè)協(xié)會醫(yī)藥生物用膜技術(shù)專業(yè)委員會副秘書長、中國生物工程學(xué)會青委會委員、中國海水淡化與水再利用學(xué)會青委會執(zhí)行委員、《膜科學(xué)與技術(shù)》編委。

膜技術(shù)在生物檢測中的應(yīng)用研究進展

張晉瑄，羅建泉，任重遠，張昊，陳向榮，萬印華

中國科學(xué)院大學(xué) 中國科學(xué)院過程工程研究所 生化工程國家重點實驗室，北京 100190

膜具有保護、支撐、分散和分離的功能，通過表面修飾和接枝/負載選擇性配基或催化劑等可賦予膜更多的功能，因此膜技術(shù)在生物檢測中的應(yīng)用越來越廣泛，其發(fā)揮作用的方式和途徑也極其多樣化。對功能膜的理性設(shè)計可以滿足生物檢測過程中不同環(huán)節(jié)的需求，包括生物樣品的前處理、制備、響應(yīng)和傳感等。文中簡述了分離膜的功能化方法，并對目前膜技術(shù)在樣品制備和檢測過程中的應(yīng)用以及多功能膜集成的研究進行綜述。通過梳理面向生物檢測的功能膜設(shè)計、制備和應(yīng)用研究進展，以期更好地發(fā)揮膜材料結(jié)構(gòu)和功能的優(yōu)勢，構(gòu)建更加“適應(yīng)”檢測環(huán)境的高效、穩(wěn)定檢測平臺。

膜技術(shù)，功能化，生物檢測，多功能膜，酶固定化

隨著生活水平的提高，人們對生命健康和醫(yī)療保障日益關(guān)注?，F(xiàn)代生物檢測技術(shù)在臨床疾病診斷、藥物開發(fā)、醫(yī)療保健、食品安全、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，特別是早期疾病診斷、生物標(biāo)志物的篩選、致病細菌監(jiān)測等等。因此，精準(zhǔn)、高效的生物檢測技術(shù)研發(fā)受到研究者們的廣泛關(guān)注。

生物檢測技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，涉及的內(nèi)容越來越廣泛，關(guān)注熱點除了生物體的特有功能和特征外，還強調(diào)生物體本質(zhì)過程的研究以及基因工程、蛋白質(zhì)工程和組學(xué)(如基因組學(xué)、蛋白組學(xué)、肽組學(xué)、代謝學(xué)) 等的檢測，目前涉及的關(guān)鍵詞包括生物檢測(Biodetection)、生物監(jiān)測(Biomonitor，Biosurvey)、生物分析、生物傳感器、生物芯片、生物信息學(xué)等。

膜技術(shù)作為一項綠色分離技術(shù)，在生物檢測中得到廣泛應(yīng)用。以分離膜作為選擇性屏障，可控制膜兩側(cè)的物質(zhì)傳輸[1]。膜分離過程無需添加劑，高效低耗。并且，膜技術(shù)易于與其他分離或反應(yīng)過程相結(jié)合，分離膜的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和功能也有極大可設(shè)計、可加工的空間。因此，大量具有各種新穎功能的吸附膜、催化膜、傳輸膜等被開發(fā)出來，以滿足生物檢測過程中的不同需求，如樣品分離純化、樣品消解與濃縮、生物體檢測、提高檢測系統(tǒng)的生物相容性等。通常，利用膜材料的高比表面積、良好的機械性能和生物相容性，膜技術(shù)可被直接作為檢測系統(tǒng)的輔助和集成部分，起到保護、支撐、分散和分離屏障等作用。進一步對分離膜功能化修飾后，可以改善其性能或賦予其更多功能(特異選擇性、分子識別、催化等)。因此通過對膜材料進行結(jié)構(gòu)和功能的理性設(shè)計，可滿足不同檢測需求，使膜技術(shù)在生物檢測過程中發(fā)揮更重要的作用。

吸附膜被廣泛用于生物樣品的分離純化，具有高選擇性和高通量的優(yōu)點，樣品損失少，適合處理微量、敏感的生物樣品[2]；催化膜在生物樣品消解及檢測中發(fā)揮了重要作用，主要是通過將化學(xué)催化劑或生物酶固定于膜表面或孔內(nèi)，將分離與反應(yīng)相集成[3]，提高反應(yīng)效率、可控性以及催化劑的重復(fù)利用性；傳輸膜可以利用電荷作用、差異遷移率等實現(xiàn)樣品在線分離，使檢測器件小型化[4]；膜技術(shù)還可以作為檢測系統(tǒng)與外界環(huán)境之間的友好屏障，選擇性地透過待分析物并隔絕干擾物，保障檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性[5]。

本文首先介紹了分離膜的功能化方法，然后概述了目前膜技術(shù)在樣品制備和檢測過程中的應(yīng)用以及最新科研進展，側(cè)重于功能膜在生物檢測中的作用方式和功能集成，以期對功能膜的設(shè)計和制備及其在生物檢測中的應(yīng)用提供新思路。

1 分離膜的功能化方法

分離膜的材料和結(jié)構(gòu)具有較高的可設(shè)計和可加工性，可根據(jù)不同的分離和傳輸需求，改善膜的特異選擇性、滲透性和穩(wěn)定性，或引入額外的相互作用(分子識別、親和、催化或響應(yīng)) 以提高分離選擇性或賦予新的功能。對分離膜的加工和修飾通常有以下3個方向：1) 設(shè)計具有不同化學(xué)性質(zhì)或特定結(jié)構(gòu)的高性能膜材料；2) 對膜表面或孔內(nèi)進行功能化，賦予膜特定的功能；3) 利用模板定制特定形態(tài)和結(jié)構(gòu)的功能膜。

對膜材料進行設(shè)計，可將不同材料的功能進行組合，制備有機-無機雜化、混合基質(zhì)或復(fù)合膜；對膜功能進行理性設(shè)計，可令膜具有特定的分離選擇性、表面性質(zhì)和傳輸機制；對膜結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，可定制膜孔幾何形狀、孔隙率和膜厚度，滿足特定的檢測需求。

表面功能化可以引入多種相互作用來賦予膜新的功能?？衫媚げ牧媳旧淼碾姾尚再|(zhì)或反應(yīng)性側(cè)基、末端基團直接鍵合選擇性配基或催化劑，也可以先對膜進行改性，即在膜表面偶聯(lián)聚合物，提供更多的氨基、醛基、環(huán)氧基和羧基等反應(yīng)性基團以提高裝載密度。將膜表面活化后可進一步結(jié)合親和配體、生物酶、金屬、納米顆粒等，賦予其分子識別、親和、催化或響應(yīng)等功能。

利用模板定制特定結(jié)構(gòu)的功能膜，如分子印跡(Molecularly imprinted polymer，MIP) 膜，使用模板分子在聚合物基質(zhì)上創(chuàng)造空腔，通過形狀互補性和多種非共價相互作用(例如氫鍵、疏水和靜電相互作用) 的組合提供識別作用。表1對功能膜的制備和修飾方法進行總結(jié)，并結(jié)合生物檢測中的應(yīng)用研究，分析其引入的新功能以及對性能的提升。

表1匯總的功能化方法體現(xiàn)了膜技術(shù)在生物檢測中發(fā)揮作用的主要方式和途徑。除了引入其他功能，分離膜功能化也需關(guān)注其分離選擇性的提升和滲透性能的保持，并將膜污染趨勢最小化，減少或防止其他物質(zhì)與膜之間不必要的相互作用，以保障功能膜可以穩(wěn)定有效地發(fā)揮作用。

2 膜技術(shù)用于生物樣品的前處理

基于質(zhì)譜的蛋白質(zhì)組學(xué)分析中，蛋白質(zhì)樣品的制備非常關(guān)鍵，它決定了分析的靈敏度、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。樣品制備通常包括以下步驟：蛋白質(zhì)提取、溶解、變性、還原和烷基化以及酶解[16]，整個過程極其繁瑣，涉及多種溶劑的置換，易造成樣品損失和污染。而膜技術(shù)可用于蛋白質(zhì)的分離、酶解以及多肽的富集和純化，極大地改進了蛋白質(zhì)樣品的制備過程。

2.1 過濾輔助樣品制備

過濾輔助樣品制備(Filter-aided sample preparation，F(xiàn)ASP)是一種普遍使用的樣品制備方法。利用超濾裝置簡單離心，使低于切割分子量的變性劑和其他低分子量污染物與蛋白質(zhì)樣品分離。蛋白質(zhì)大分子被截留在膜上，隨后進行酶解處理。在此基礎(chǔ)上，研究者利用大孔疏水的聚偏氟乙烯或[17]聚醚砜微濾膜[18]替代親水的纖維素超濾膜制備過濾器(分離機理從篩分作用變?yōu)槭杷?，降低過濾阻力，以提高分離效率并改善器件的機械性能，改進的96孔板FASP法(稱為MStern blotting) 能夠同步平行處理多個樣本(圖1)。盡管FASP減少了溶液置換步驟，可有效防止污染引入，但后續(xù)的酶解等步驟仍需要很長時間，且FASP處理微量樣品時，會造成一定的肽損失，同時存在洗滌劑未完全去除的問題。

2.2 酶膜反應(yīng)器

長時間的酶解過程是樣品制備的瓶頸，目前的酶固定化技術(shù)可以將消解時間從過夜處理(約15 h)減少到幾分鐘甚至幾秒。已有大量研究將酶固定在有機、無機整體柱、多孔微球等多種載體上，但生物大分子需經(jīng)過緩慢擴散才能到達結(jié)合位點，限制了蛋白質(zhì)的消解和純化效率。

酶膜反應(yīng)器(Enzymatic membrane reactor，EMR)以分離膜作為固定載體，將膜分離過程與酶促反應(yīng)耦合，利用對流作用加速底物傳質(zhì)同時保證蛋白質(zhì)消解效率，顯著減少死體積，適于微量蛋白質(zhì)樣品的快速消解和分離。Cooper等[19]在毛細管末端插入疏水的多孔聚偏氟乙烯膜，通過疏水吸附在膜上固定胰蛋白酶，該EMR可直接與質(zhì)譜儀器結(jié)合，在幾秒內(nèi)快速水解蛋白質(zhì)，并證實亞微米級膜孔內(nèi)的對流傳質(zhì)能夠有效消除擴散控制反應(yīng)動力學(xué)的限制。由于膜材料易于整合到在線系統(tǒng)中，EMR可進一步減少繁瑣的樣品處理步驟和樣品損失風(fēng)險，提高檢測精度。Tyan等[12]用兩種烷硫醇溶液在鍍金膜上形成單層自組裝(Self-assembled monolayer，SAM) 膜，以 1-乙基-(3-二甲基氨基丙基) 碳二亞胺鹽酸鹽/N-羥基琥珀酰亞胺作為偶聯(lián)劑在SAM膜上固定胰蛋白酶，用二維納升液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)檢測得到的紅細胞水解片段，可鑒定出272種紅細胞蛋白質(zhì)(圖2)。此外，EMR改善了酶穩(wěn)定性和消解效率，可以實現(xiàn)酶的再生和重復(fù)使用。Qiao等[8]通過多孔聚合物膜上的馬來酸酐基團共價固定胰蛋白酶，重復(fù)使用9次后酶活仍能保持在96%以上。通過酶固定化能夠改善酶與蛋白質(zhì)的接觸方式，減少酶的自溶，使得消解效率明顯提高。膜過濾操作也提供了更加可控的操作方式，通過控制樣品在膜面和孔內(nèi)的停留時間，可限制蛋白質(zhì)消解以增加序列覆蓋。Tan等[20]通過增加單位膜面積的酶固定化密度，同時減少膜厚度，以毫秒級停留時間來限制蛋白質(zhì)消解，使質(zhì)譜檢測時BSA酶解產(chǎn)物中的大分子肽(3?10 kDa) 的序列覆蓋率從53% (2 s停留時間) 增加至82% (0.05 s) (圖3)

圖2 蛋白質(zhì)組學(xué)樣品酶解及質(zhì)譜分析的工作流程[12]

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2.3 樣品富集

利用膜的選擇性分離功能可實現(xiàn)蛋白質(zhì)樣品的高效濃縮和純化。參考早期的DNA預(yù)濃縮研究，F(xiàn)oote等[21]在微流控裝置上利用多孔二氧化硅膜作為相鄰?fù)ǖ篱g的選擇性屏障，使得緩沖液通過但截留蛋白質(zhì)，經(jīng)過濃縮后的蛋白質(zhì)樣品信號強度提高約600倍左右。Bruening等通過層層自組裝(Layer-by-layer self-assembly，LBL)技術(shù)開發(fā)了一系列功能膜，可用于富集磷酸化肽[22]、純化多組氨酸標(biāo)記(His標(biāo)記)蛋白[23-24]、蛋白酶消解蛋白質(zhì)樣品[20,25]，并將功能膜與其他組件耦合，開發(fā)出多種可商業(yè)化的蛋白質(zhì)樣品制備器件，如移液吸頭[26]、FASP法超濾離心過濾器[27](圖4)。Liu等[11]使用固定模擬肽段KH19的多孔尼龍膜，可以在5 min甚至更短時間內(nèi)高選擇性地捕獲人體血清中的赫賽汀，未來可以進一步開發(fā)制成旋轉(zhuǎn)膜或96孔板等器件。

總之，對膜進行不同的功能化設(shè)計，可以完成分離純化、富集、消解、脫鹽等蛋白質(zhì)樣品制備步驟，并且易于整合到商業(yè)化在線檢測系統(tǒng)，簡化樣品處理步驟并且避免樣品損失。Yang等[28]通過制備兩個熱響應(yīng)聚苯乙烯馬來酸酐共聚物多孔膜反應(yīng)器，固定胰蛋白酶、凝集素，可分別完成蛋白質(zhì)酶解和富集處理，通過全自動連續(xù)操作，整個預(yù)處理可以在1 h內(nèi)完成(圖5)。

圖3 酶膜反應(yīng)器(固定化胃蛋白酶)——控制樣品停留時間以限制蛋白質(zhì)消解[20]

圖4 用于磷酸肽富集的TiO2納米顆粒復(fù)合膜[22]

圖5 在線蛋白質(zhì)水解與富集的工作原理[28]

3 膜技術(shù)用于生物檢測過程

基于膜的多功能特征，膜技術(shù)被廣泛應(yīng)用于生物傳感器、生物芯片中。首先，膜材料可提供選擇性通道，控制分析物或分子探針的傳輸效率，排除其他非特異物質(zhì)的信號干擾。一些導(dǎo)電聚合物膜由于其良好的電子轉(zhuǎn)移效率，在檢測中發(fā)揮信號傳輸作用。此外，良好的生物相容性，使得膜材料可作為檢測元件與外部環(huán)境的屏障，以獲得穩(wěn)定的檢測性能。同時，膜材料也作為固定受體或功能化的基質(zhì)，集成整個檢測系統(tǒng)。進一步優(yōu)化膜材料的某一功能，或充分發(fā)揮以上功能的協(xié)同作用，可制備出具有高性能的生物檢測元件。

3.1 傳質(zhì)響應(yīng)膜

利用功能膜(修飾抗體、酶、互補DNA、納米顆粒等)，能夠?qū)Ψ治鑫镞M行識別和選擇性分 離[11, 29]。同時，膜材料具有高比表面積，離子在膜孔內(nèi)的對流傳質(zhì)會由于相互作用的改變(孔徑篩分和電荷排斥等) 產(chǎn)生顯著變化。生物大分子在功能膜表面發(fā)生特異性結(jié)合后，可產(chǎn)生阻滯效應(yīng)，改變離子傳輸通量，從而產(chǎn)生信號響應(yīng)。因此，可通過設(shè)計膜材料的孔尺寸和形狀來控制傳輸通量，實現(xiàn)定量檢測。Martin等[9]制備了具有錐形孔的聚酯功能膜，當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)分析物與識別位點特異性結(jié)合時，可導(dǎo)致離子電流在錐形孔處完全堵塞，擴大了離子傳輸時的變化通量，提高了傳感器的靈敏度。利用免疫球蛋白G等不同分子識別劑修飾錐形孔膜，可有效檢測相應(yīng)的蛋白質(zhì)分析物。Zhou等[30]制備了可特異性識別李斯特菌的多孔陽極氧化鋁膜，當(dāng)李斯特菌與適體結(jié)合時，會造成膜孔堵塞和表面電荷增加，從而降低電化學(xué)探針Fe(CN)63-的擴散通量，產(chǎn)生信號響應(yīng)，該傳感器可在10 min內(nèi)快速檢測細菌，靈敏度高達100 CFU/mL，線性范圍介于100到1 250 CFU/mL之間。在之后研究中，他們使用電沉積的方法，在電極表面形成納米孔陣列的陽極氧化鋁膜，通過控制膜的孔徑、孔密度以及膜厚度，擴大了空間阻滯和電荷排斥作用，在檢測miRNA-155時顯示出優(yōu)異的靈敏度和選擇性[31](圖6)。

3.2 導(dǎo)電響應(yīng)膜

導(dǎo)電聚合物薄膜，例如聚噻吩[32-33]、聚苯 胺[13]、聚吡咯[34-36]、Nafion[36-37]等，具有良好的生物相容性、電子轉(zhuǎn)移效率和環(huán)境穩(wěn)定性，已被廣泛作為傳感器中的響應(yīng)元件[29]。將導(dǎo)電聚合物與金、碳納米管等有機或無機材料摻雜制備出復(fù)合膜[13, 33]，可以進一步改善原始單一材料的表面性質(zhì)、導(dǎo)電和機械性能、生物相容性等。Zou等[13]通過Langmuir-Blodgett (LB) 技術(shù)將金納米顆粒/聚苯胺納米復(fù)合薄膜沉積在玻碳電極的表面，制備用于檢測腎上腺素和尿酸的新型伏安傳感器，導(dǎo)電聚苯胺薄膜可以在不損失金納米顆粒良好導(dǎo)電性的條件下，控制顆粒間距，提供更好的電極性能。導(dǎo)電聚合物薄膜層易于固定生物分子，同時，可排除其他非特異物質(zhì)的信號干擾，維持生物分子的穩(wěn)定性[38]。Dadarwal等[34]在聚吡咯改性的聚碳酸酯膜電極上通過靜電吸附固定沙門氏菌宿主細胞，噬菌體存在時會裂解膜電極上的宿主細胞，裂解產(chǎn)物導(dǎo)致聚吡咯的阻抗增加，據(jù)此檢測環(huán)境中噬菌體的濃度。Canovas等[37]利用涂有Nafion膜的鉑化濾紙構(gòu)建快速、靈敏檢測人體葡萄糖的紙基電位計。用兩層Nafion膜以“三明治”結(jié)構(gòu)固定葡萄糖氧化酶(Glucose oxidase，GOx)，通過酶促反應(yīng)產(chǎn)生電位變化，同時，Nafion可以有效防止氧化還原陰離子(如抗壞血酸) 的干擾作用，顯著提高電位響應(yīng)[39]，獲得高靈敏度的電位傳感器，在0.3–3 mmol/L范圍內(nèi)，將底物稀釋10倍可引起(–95.9±4.8) mV的信號響應(yīng)變化。這種簡單、穩(wěn)定、低成本的電位測量裝置，也體現(xiàn)出以膜技術(shù)集成整個檢測系統(tǒng)的優(yōu)勢。

圖6 李斯特菌阻塞效應(yīng)產(chǎn)生信號響應(yīng)的工作原理[30]

3.3 生物相容保護膜

生物樣品成分復(fù)雜，會對檢測器的長期使用穩(wěn)定性產(chǎn)生負面影響。因此，膜材料的生物相容性和防污性能也引起許多研究者的關(guān)注，其目的是改善膜材料與生物樣品的接觸方式，最小化蛋白質(zhì)的非特異性吸附，避免額外的生物排異反應(yīng)。Liu等[40]在聚砜膜上接枝磺化羥丙基殼聚糖，大幅提高膜的親水性，使膜材料具有良好的抗菌性能和血液相容性。構(gòu)建仿生涂層也是一種優(yōu)化生物相容性且不損失靈敏度的方法(圖7)。Liu等[41]通過電沉積方法，用仿生聚合物-兩性離子磷酸膽堿功能化碳纖維微電極表面，形成超薄仿生膜，兩性離子磷酸膽堿涂層不僅能抵抗蛋白質(zhì)吸附，還能保持靈敏度和長時間穩(wěn)定響應(yīng)。

圖7 具有良好生物相容性的磺化羥丙基殼聚糖改性膜[40]

4 生物檢測中的膜集成技術(shù)

前兩部分指出了膜技術(shù)在生物檢測中的多種功能，也有研究將兩種以上的功能集成，充分發(fā)揮各功能之間的協(xié)同作用，利用膜集成技術(shù)制備出多種可原位或植入檢測的高效生物傳感器。Chu等[42]設(shè)計了具有分離層(致密微孔) 和傳感層(孔徑較大) 的新型傳感膜，可同步實現(xiàn)血液分離和檢測。分離層利用膜孔篩分作用，僅允許血清進入內(nèi)部通道，固定GOx的傳感層具有良好電導(dǎo)率可有效地進行電子傳輸(圖8)。Fang等[43]使用聚苯胺納米纖維膜作為酶固定化材料，聚氨酯/環(huán)氧改性聚氨酯雙層涂層作為保護膜，制備皮下微創(chuàng)葡萄糖生物傳感器。高孔隙率的聚苯胺納米纖維能夠固定更多GOx，并保持傳感器的靈敏度。引入環(huán)氧改性聚氨酯涂層與聚氨酯層結(jié)合可以增強膜的機械穩(wěn)定性和生物相容性，該傳感器在體內(nèi)實驗中可對血糖變化作出靈敏響應(yīng)，持續(xù)穩(wěn)定工作26 d。Chen等[44]通過在聚苯胺納米纖維膜上進行鉑納米顆粒、葡萄糖氧化酶的逐層沉積來制作針電極，摻入鉑納米顆粒的聚苯胺膜通過靜電吸附固定GOx，可提供高比表面積和良好導(dǎo)電性，保持GOx的電催化活性。引入多孔聚偏氟乙烯和納米球Nafion兩種生物相容的復(fù)合涂層可以控制葡萄糖以穩(wěn)定擴散速率與電極接觸，并有效防止陰離子物質(zhì)和蛋白質(zhì)粘附引起的干擾，增加了傳感器的體內(nèi)檢測壽命。在體內(nèi)實驗中，該傳感器具有3周以上的壽命及優(yōu)異的重現(xiàn)性(圖9)。Zhou等[45]在以上研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計了可穿戴在GOx酶固定化針孔電極上的復(fù)合保護膜。以聚砜中空纖維膜為外膜，通過LBL方法在聚砜中空纖維膜內(nèi)表面形成殼聚糖和海藻酸鈉內(nèi)膜。調(diào)整外膜的孔徑和孔隙率，通過限域傳質(zhì)和催化來優(yōu)化反應(yīng)，使傳感器保持最佳性能。殼聚糖/海藻酸鈉內(nèi)膜可以促進膜與電極之間的電子傳輸作用，并且提供更好的生物相容微環(huán)境，使酶保持最佳活性。

圖8 基于普魯士藍的陶瓷膜分離層和傳感層的工作原理[42]

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圖9 葡萄糖檢測針電極[44]

5 結(jié)語與展望

膜本身的多種功能以及通過修飾賦予的新功能使膜技術(shù)在生物樣品制備和檢測中的應(yīng)用越來越廣泛，但現(xiàn)代生物檢測技術(shù)對其提出了更高的要求，比如：1) 更精確地控制膜的微觀結(jié)構(gòu)，更高效地修飾膜表面和負載配體或催化劑，并保持固定化酶的穩(wěn)定性，這需要更深入地對膜材料結(jié)構(gòu)和功能進行理性設(shè)計。2) 進一步精簡處理步驟(蛋白質(zhì)變性、脫鹽等)，避免稀釋或?qū)悠愤M行其他操作，消除雜質(zhì)干擾。未來可繼續(xù)開展膜集成技術(shù)方面的研究，建立可同步分離純化、酶解、富集的膜集成平臺；也可以進一步開發(fā)可在線處理或易于商業(yè)化的膜組件，使樣品處理更適合于后續(xù)的儀器分析，提高分析方法的選擇性、靈敏度和準(zhǔn)確度，保證檢測結(jié)果的重現(xiàn)性。3) 改善檢測系統(tǒng)的靈敏度和線性范圍，簡化檢測流程，使檢測過程更加智能化，使設(shè)備易于小型化、便攜化。這要求進一步提升膜材料的導(dǎo)電性、生物相容性、防污性能等。同時，開發(fā)“適應(yīng)”檢測環(huán)境的新型功能化膜也是一個重要思路，如制備選擇性和滲透性可變化的“智能”響應(yīng)性膜，以及通過特定的孔結(jié)構(gòu)和配體協(xié)同作用的“仿生”膜。

總之，構(gòu)建更加靈敏和實用的生物檢測器件，建立更“適應(yīng)”檢測環(huán)境的高效、穩(wěn)定檢測平臺是未來研究關(guān)注的重點。更好地發(fā)揮膜材料多層次結(jié)構(gòu)和多功能的優(yōu)勢，可對生物檢測平臺的構(gòu)建提供極大便利，因此未來膜技術(shù)將成為生物檢測技術(shù)研究和應(yīng)用中的重要部分。

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Advanced applications of membrane technology in biological detection

Jinxuan Zhang, Jianquan Luo, Zhongyuan Ren, Hao Zhang, Xiangrong Chen, and Yinhua Wan

,,,,100190,

Membrane creates the functions of protection, supporting, dispersion and separation. More functions can be designed by modifying membrane surface and grafting/loading selective ligands or catalysts on the membrane, thus membrane technology has been widely applied in biological detection, and its application approaches becomes diverse. Rational design of functional membranes can meet the demands in different steps of biological detection process, including sample pretreatment, preparation, response and sensing. This review summarized the functionalization methods of filtration membranes, applications of membrane technology in sample preparation and detection process, as well as the research on the integration of functional membranes. By revisiting the research progress on functional membrane design, preparation and applications for biological detection, it is expected to take better advantage of membrane materials structure and performance for constructing efficient and stable detection platform, which is more “adapted” to the detection environment.

membrane technology, functionalization, biodetection, multifunctional membrane, enzyme immobilization

June 2, 2019;

September 10, 2019

National Natural Science Foundation of China (No. 21878306).

s: Jianquan Luo. Tel: +86-10-82544991; E-mail: jqluo@ipe.ac.cn

國家自然科學(xué)基金 (No. 21878306)資助。

2019-10-10

http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1998.q.20191008.1655.001.html

張晉瑄, 羅建泉, 任重遠, 等. 膜技術(shù)在生物檢測中的應(yīng)用研究進展. 生物工程學(xué)報, 2019, 35(12): 2257–2268.

Zhang JX, Luo JQ, Ren ZY, et al. Advanced applications of membrane technology in biological detection. Chin J Biotech, 2019, 35(12): 2257–2268.

(本文責(zé)編 陳宏宇)