收稿:2008年3月, 收修改稿:2008年8月 *深圳大学科研启动基金项目(No. 200818 资助**通讯联系人 e 2mail:yang hp@. cn纳米电化学生物传感器*杨海朋**陈仕国李春辉陈东成戈早川(深圳大学材料学院深圳市特种功能材料重点实验室深圳518060摘要纳米电化学生物传感器是将纳米材料作为一种新型的生物传感介质, 与特异性分子识别物质如酶、抗原P 抗体、D NA 等相结合, 并以电化学信号为检测信号的分析器件。
本文简要介绍了生物传感器的分类和纳米材料在电化学生物传感器中的应用及其优势, 综述了近年来各类纳米电化学生物传感器在生物检测方面的研究进展, 包括纳米颗粒生物传感器, 纳米管、纳米棒、纳米纤维与纳米线生物传感器, 以及纳米片与纳米阵列生物传感器等。
关键词生物传感器电化学传感器纳米材料生物活性物质固定化中图分类号:O65711; TP21213 文献标识码:A 文章编号:10052281X(2009 0120210207Nanomaterials Based Electrochemical BiosensorsY ang Haipeng**Chen Shiguo Li Chunhui Chen Dongche ng Ge Zaochuan (Shenzhen Key Laboratory of Special Functional M aterials, College of Materials Science and Engineering,Shenzhen University, Shenzhen 518060, ChinaAbstract Biosensors w hich utilize immobilized bioac tive compounds (such as enz ymes, antigen, antibody, D N A, etc. f or the c onversion of the target analytes into electroc he mically detectable products is one of the most widely used detection methods and have become an area of wide ranging research activity. The advances in biocompatible nano technology make it possible to develop ne w biosensors. A variety of biosensors with high sensitivity and excellent reproducibility based on nano technology have been reported in recent years. In this paper, the development of the researches on nano amperometric biosensors, one of the most important branches of biosensors, is revie wed. Nanoscale architectures here involve nano 2particles, nano 2wires and nano 2rods, nano 2sheet, nano 2array, and carbon nanotube, etc. Remarkable sensitivity and stability have been achieved by coupling immobilized bioactive compounds and these nanomaterials.Key words biosensors; electroche mistry sensors; nanomaterials; bioactive compounds; immobiliz ationContents1 Introduction to biosensors2 Nanomaterials based electrochemical biosensors 2. 1 Challenges and developments of biosensors 2. 2 Introduction of nanomaterials2. 3 Nanomaterials based electrochemical biosensors 2.3. 1 Nano particles based electrochemical biosensors2. 3. 2 Nanowires and nanorods based electrochemical biosensors2. 3. 3 Carbon nanomaterials basedelectrochemicalbiosensors2. 3. 4 Nano array based electrochemical biosensors 2. 3. 5 Nanosheets based electrochemical biosensors 3 Concluding remarks第21卷第1期2009年1月化学进展PRO G RESS I N C HE M IST RYVol. 21No. 1 Jan. , 20091 生物传感器概述生物传感器通常由生物识别元件(bioreceptor 和信号转换器件(transducer 两个部分组成:生物识别单元具有专一的选择性, 可以获得极其高的灵敏度; 而信号转换器通常是一个独立的化学或物理敏感元件, 可采用电化学、光学、热学、压电等多种不同原理工作。
把分子识别功能基底同高灵敏的信号转换器件相结合, 就构成多种多样、千变万化的生物传感器[1 4]。
生物传感器可按照生物特异性授予机制或信号转换模式分类。
按被选生物化学受体的不同, 可将生物传感器分为酶传感器、免疫传感器、组织传感器、微生物传感器和细胞传感器等。
根据生物反应产生信息的物理或化学性质, 信号转换器通常采用电化学、光谱、热、压电及表面声波等技术与之相匹配, 而由此衍生出电化学生物传感器、光生物传感器、半导体生物传感器、热生物传感器和压电晶体生物传感器等。
因为电化学转换器件具有较高的灵敏度, 易微型化, 能在浑浊的溶液中操作等许多优势, 并且所需的仪器简单、便宜, 因而被广泛应用于传感器的制备中[5,6]。
根据电化学检测的模式不同, 又可具体分为安培型、电势型、表面电荷场致效应晶体管(FE Ts 型和电导型电化学生物传感器。
生物传感器诞生在20世纪60年代, 而对其研究的全面展开是在20世纪80年代。
20多年来该领域发展迅速, 取得了显著的成绩。
随着人类基因组研究的深入进行和微纳米技术的普及与成熟, 纳米传感器、基因芯片以及微全分析系统(T AS 等新器件、新系统的出现, 把生物传感器的研究推进到一个崭新的发展阶段[7,8]。
本文主要综述纳米电化学生物传感器近年来的研究进展。
2 纳米电化学生物传感器纳米电化学生物传感器是将纳米材料作为一种新型的生物传感介质, 与特异性分子识别物质如酶、抗原P 抗体、D N A 等相结合, 并以电化学信号为检测信号的分析器件。
211 生物传感器的挑战与发展多年来, 生物传感器引起了人们的极大关注, 相当多的公司与研究单位开展了生物传感器的研究与开发, 相应的文章与专利也急剧增加。
然而, 目前成, 试生产阶段, 仅有少数品种已计划大规模生产。
造成这种状况的主要原因之一在于生物识别元件的稳定性差, 不能满足生物传感器长期持续检测的客观要求。
发展新型材料和优秀的固定化方法则是提高生物识别元件稳定性的有效途径之一[8 11]。
20世纪90年代以来, 纳米技术的介入为生物传感器的发展提供了新的活力, 并已取得了突破性的进展[7 12]。
纳米材料由于比表面积大、表面反应活性高、表面原子配位不全等导致表面的活性位点增加、催化效率提高、吸附能力增强, 为生物传感研究提供了新研究途径。
与传统的传感器相比, 新型纳米材料传感器不仅体积更小、速度更快、而且精度更高、可靠性更好。
由于纳米粒子高的比表面积和其本身的生物兼容性, 在生物电催化反应中起着重要作用。
例如与纳米粒子组装后的酶, 其活性中心可更接近电极表面, 易于进行电子转移, 提高了生物电催化活性, 使其更有利于在电化学传感器中应用[13, 14]。
212 纳米材料概述纳米材料是指三维空间中至少有一维处于纳米尺度(1 100nm 范围内的材料或由它们作为基本单元组装而成的结构材料, 包括金属、氧化物、无机化合物和有机化合物等。
该尺寸处在原子、分子为代表的微观世界和宏观物体交界的过渡区域(介观体系 , 处于该尺寸的材料表现出许多既不同于微观粒子又不同于宏观物体的特性, 突出表现为4大效应。
(1 表面效应。
指纳米粒子的表面原子数与总体原子数之比随粒径的变小而急剧增大, 从而引起数与总体原子数性质上的突变。
粒径到达10nm 以下, 表面原子数与总体原子数之比迅速增大, 当粒径降至1nm 时, 表面原子数与总体原子数之比超过90%以上, 原子几乎全部集中到粒子的表面, 表面悬空键增多, 化学活性增强。
此时粒子的比表面积、表面能和表面结合能都发生很大的变化。
(2 体积效应, 亦称小尺寸效应。
当纳米粒子的尺寸与传导电子的波长及超导态的相干长度等物理尺寸相当或更小时, 周期性的边界条件将被破坏, 熔点、磁性、光吸收、热阻、化学活性、催化性能等与普通粒子相比都有很大变化, 这种特殊的现象通常称之为体积效应。
该效应为其应用开拓了广阔的新领域。
(3 量子尺寸效应。
颗粒尺寸下降到一定值时, 可将大块材料中连续的能带分裂成分立的能级, 能#211#第1期杨海朋等纳米电化学生物传感器量子尺寸效应。
当热能、电场能或磁能比平均的能级间距还小时, 就会呈现一系列与宏观物质截然不同的反常特性。
(4 宏观量子隧道效应。
隧道效应是基本的量子现象之一, 即当微观粒子的总能量小于势垒高度时, 该粒子仍能穿越这势垒。
近来年, 人们发现一些宏观量, 例如微颗粒的磁化强度、量子干涉器件中的磁通量以及电荷等亦具有隧道效应, 它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化, 故称之为宏观的量子隧道效应。
纳米粒子也具有这种贯穿势垒的能力。
213 纳米电化学生物传感器从纳米材料在电化学生物传感器中的具体应用来看, 纳米电化学生物传感器主要包括如下类型:纳米颗粒生物传感器, 纳米管、纳米棒与纳米线生物传感器, 纳米片以及纳米阵列生物传感器等。