丝蛋白在光电传感器应用中的研究进展

杨梅，杨明英

（浙江大学动物科学学院，浙江杭州 310058）

丝蛋白在光电传感器应用中的研究进展

杨梅，杨明英＊

（浙江大学动物科学学院，浙江杭州 310058）

近年来，随着学科交叉的深入，科学家们对丝蛋白在光、电和磁等性质方面的独特性能有了更多了解，并结合其在生物医药方面具有的优越性能如生物相容性、降解性等，开发出了一系列在生物活性上有独特优势的高科技领域的光、电和磁器件。这些研究拓展了丝蛋白作为一种优越生物医药基材的应用领域，对生物传感材料的发展具有重要意义。

丝蛋白；光电磁器件；生物传感

丝蛋白材料因其良好的力学性能、优越的生物相容性、降解性以及多样而相对简单的加工制作方式还有可调控的结构等优点，在生物医药领域具有广泛的潜在应用价值［1］，也因此，关于丝蛋白的研究多集中在基于丝蛋白作为生物材料的功能性研究。随着近年来环境保护领域的需求以及信息技术发展带来的对光电材料的大量需求，结合学科交叉开发出可持续的、在生物领域更具应用价值的绿色材料替代目前的塑料、半导体和无机基质，是一种必然趋势。本文主要就近年来丝蛋白材料在生物传感器方面的一些研究与应用做简单的介绍。

1 丝蛋白材料概述

丝蛋白材料因其特殊的结构和生物学特性成为了天然高分子生物材料的代表。从材料科学的角度来看，蜘蛛丝和蚕丝是当前已知的天然丝中强度最好的丝，并且为其多种功能化目的下与其它材料的生物复合、可加工调控提供了可能。

近年来关于丝蛋白结构与加工性能之间关系的研究主要包括对自组装作用、水在加工组装过程中的作用、修饰天然蛋白质的多向选择性等方面的研究。这些研究促使丝蛋白尤其使丝素蛋白具有了更多新的应用形式如水凝胶，薄膜，保形涂层，三维多孔或固体基质，纳米级材料以及一些其它相关的材料形式［2-3］。更重要的是，丝蛋白可以在温和的条件下（水环境、室温、中性pH）加工，形成机械性能稳定、生物相容性好的可食用可移植入人体内的安全材料。

丝蛋白因其良好的机械性能、通过在加工过程中控制含水量达到控制结构性能的简便性、可控的生物降解性能和独特的光学和电学性质而区别于其它应用于高科技领域的生物高分子材料。这些性能还有助于在丝蛋白材料中引入生物活性物质并保持或延长其生物活性，在一定程度上改变传统光/电/磁材料（通常在生物惰性基板上制造）的应用范畴，开发出可与“环境互动”的设备如更先进的生物传感器［4-5］。

2 在光电领域中的应用

2.1 材料的制备

从天然蚕茧到再生丝素溶液的制备对于丝蛋白材料的多功能多领域的应用具有重要意义。天然丝素纤维的结晶度高而难以生物降解，影响了丝素纤维作为医用材料的应用。同时天然丝蛋白虽然具有良好的生物相容性，但移植入动物体内易引起炎症反应。研究表明，引起炎症反应的主要是丝胶。因此，从原丝茧去除丝胶蛋白是丝蛋白应用于生物医学等领域必不可少的过程。将天然蚕茧在Na2CO3或NaOH溶液中煮沸即可除去蚕丝上的丝胶，要得到再生丝素蛋白水溶液，可以用LiBr或LiSCN，NaSCN和ZnCl2或CaCl2/H2O/EtOH混合液将丝素纤维溶解，再通过透析除盐。得到的丝素蛋白水溶液可最终制成不同形式和功能的材料如水凝胶，组织纤维骨架，薄膜等应用于生物医学领域［6］。

再生丝素由于溶剂的作用，部分分子链断裂，使得分子量比天然丝素的分子量有所降低。再生丝素溶液可以通过简单的各种有机物质的混合（如细胞、蛋白质和酶）或无机物（如金属纳米粒子掺杂到溶液）进一步活化，无论是未掺杂或掺杂的溶液都可以通过旋涂、浇注或直接喷墨，打印到具有表面二维和三维/微纳米图案的基底上，从而在丝蛋白膜上复制出具有几十纳米分辨率的相应图案，并制成一系列基于丝蛋白材料的光学器件，如衍射光栅、滤光片、棱镜、微棱镜阵列、二维衍射光学器件、光子晶体和波导管等，在制备过程中，丝素蛋白分子通过自组装在不需要外源性交联反应或后处理的条件下，形成稳定的具有特定图案的薄膜（作为光学元件）或机械性能、生物相容性良好的其它元件。用由天然蚕茧得到的再生丝素溶液制备光子/电子器件的方法主要有旋涂法、软刻蚀法、纳米压印法、喷墨打印法、模板喷涂法、接触式印刷法等。

Agarwal等（1997）研究发现，纳米压印成膜与玻璃化温度的调控有关，玻璃化温度又与丝素膜的含水量有关。通常情况下，丝素膜被加热至100℃的具有纳米级二维图案的模版压印几秒，随后立即退火大概1min然后机械地将模版移去。而薄膜水的饱和度会影响玻璃化温度，在丝素膜被压印前于膜表面增加少量水（增大膜所处环境的湿度）可以将玻璃化温度从100℃降至室温，退火后的膜数年内都可以在一般的环境下保持结构性能的稳定［7-8］。这种方法不仅大幅度简化了纳米压印制备膜的程序，提高了所得膜的质量和产量，也解决了软刻蚀中退火后将膜与纳米压印模版分离时的难操作问题［9-10］，为丝蛋白自感应光流体器件的快速生产提供了可能性。

2.2 材料的功能化

2.2.1 光响应性传感器

利用丝蛋白纳米图案中的光子晶格具有二维纳米点阵图案且不同点阵常数可呈现出不同颜色的特性，能够制备基于丝蛋白光学器件的功能性传感器，可用于葡萄糖浓度监测［11］。该类光学器件如光栅，可根据纳米级有序阵列的确定性，预测特定蛋白质薄膜的散射特性。其原理依赖于布拉格散射现象，即在特定波长下，光的传播方向与介质的结构周期性以及折射率等有明确的关系，从而通过设计纳米丝素膜表面的非周期性结构（不同点阵常数的纳米压印实现），由白光照射在不同结构（由被检测物质决定）时的颜色定位实现监测。而经过对氨基苯甲酸化学接枝改性后的丝蛋白光流体器件可用于pH传感器［12］。

2.2.2 生物活性传感器

再生丝蛋白水溶液的加工条件温和，且丝蛋白具有良好的生物相容性，因此在掺杂药物和生物活性物质如细胞、酶等在适当方法加工后得到的材料可以实现生物功能性和光学性质的转换并用于生物检测，即具有“互动性”的生物传感器。如掺杂血红蛋白后，基于丝蛋白的器件能用于检测氧气浓度［13］，甚至还实现了对肿瘤部位进行成像，然后将所载药物进行可控释放，并对药物释放情况及治疗效果展开监测［14］。

2.2.3 纳米颗粒掺杂的丝蛋白

如前所述，再生丝蛋白溶液可以通过加入合适的掺杂剂而制备功能化的元件，这与丝蛋白材料作为药物载体的成功应用具有相似性。关于在丝蛋白基体中添加纳米无机物如二氧化硅、羟基磷灰石或者荧光染料和有机物如药物、其它对温度敏感的聚合物来制备有机/无极杂化材料的研究已经有很多。最近，掺杂金纳米颗粒的丝蛋白膜已应用于与商业化的微型无线电源相连接的热电效应元件。在这些实验中，掺杂了Au纳米粒子的丝蛋白膜，通过将溶液浇铸到芯片的有源区，连接到热电效应装置。使用输出功率高达450毫瓦/平方毫米的连续波绿光激光器，在532 nm下Au纳米颗粒的吸收峰引发了丝蛋白层温度的升高，从而又产生了高达20兆瓦的电力。其中对功率的要求可以通过增加掺杂的金纳米粒子的浓度或者减小膜的厚度实现进一步的优化［15］。

2.3 应用于传感器的丝蛋白

通过集成单晶硅电子策略，将纳米膜状的单晶硅晶体管或超薄的电极阵列，转印到经旋涂或浇铸制备的丝蛋白膜上，可得到柔韧且可调节溶解度并能被降解吸收的可植入型生物医用电子器械，与机体表面接触后则能成为一种高性能的丝蛋白基复合柔性电子器件。如将得到的电子器件植入到柔软的大脑后能够对大脑神经信号进行检测，对临床疾病的诊断和治疗具有重要意义［17］。而通过喷墨打印、纳米压印、旋涂浇铸等方式将具有微纳米结构的金属图案或石墨烯结构复制到丝蛋白膜上，可以制成传感器从而实现对食品质量的跟踪监测；将传感器贴附于牙齿表面还可实现对呼吸性能和细菌的检测［18］。

3 展望

随着对丝蛋白结构和性能的进一步认识和更深入的了解，制备出以丝蛋白为基础材料，在生物相容性上有独特优势且可广泛应用于高科技领域的光、电和磁器件，将为生物医学材料的可持续性发展做出重要的贡献。

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Research Progress about Application of Silk Protein in Photoelectric Sensors

YANG Mei,YANG Ming-ying＊
（College of Animal Sciences,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China）

With the depth of interdisciplinary research,scientists have a better understanding on unique aspects of the silk protein in the optical,electrical and magnetic properties for the past few years.What’s more,combined with its biomedical aspects of the superior properties such as biocompatibility,degradation and so on,some scientists have developed a series of optical,electrical and magnetic devices,which have a unique advantage in biological activity and can be applied in many high-tech fields.These studies have broadened the application of silk protein as an excellent biomedical substrate,which is of great significance to the development of bio-sensing materials.

silk protein;photoelectric sensors;bio-sensing

S886.9

A

0258-4069［2016］04-018-03

国家自然科学基金项目（21172194）；现代农业产业技术体系建设专项（CARS-22）；浙江省大学生科技创新项目（1260）

杨梅（1995-），女，甘肃静宁人，本科生。E-mail:meiyang@zju.edu.cn

杨明英，女，教授，博士生导师。E-mail:yangm@zju.edu.cn