纳米生物传感器的研究进展及其应用 张雯歆 【摘要】 :随着纳米技术在生物传感器领域的不断引入, 纳米生物传感器在 灵敏度的提高, 检测限的降低, 线性检测范围的拓宽以及响应时间的缩短等方面 的性能得到了很好的改善。 本文主要对纳米颗粒、 纳米纤维、 纳米管以及纳米量 子生物传感器在酶、免疫以及 DNA 等生化领域检测方面应用的研究进展进行简 单的概述。

【关键词】:纳米材料 生物传感器 应用 Advances of Research on application of Nano-materials in biosensors 【 Abstract 】 :With the development of nanotechnology , the unique properties of nano-materials realize an objective to improve sensitive sensor with a wide linear range, a highly reproducible response, long-term stability and so on. The application of nano-materials (such as nanoparticle, nanofiber, nanotube in biosensor fields introduced. The development of this field prospected in the future.

【 Keywords 】 :nano-materials; biosensors; application 纳米技术和生物技术是 21世纪的两大领先技术, 在这两者之间存在着许多 技术交叉,其中,纳米生物传感技术已然引起了研究领域的广泛关注。

生物传感器是一类特殊形式的传感器,由固定化的生物敏感材料作为识别 元件(包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质与适 当的理化换能器及信号放大装置构成 , 具有接受器与转换器的功能 , 从而能够检测 多种生命和化学物质。纳米技术主要是针对尺度为 1 nm~100 nm之间的分子世 界的一门技术。 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,因此有着独特的化学性质和物理性质,如表面效应、微尺寸效应、量子效 应和宏观量子隧道效应等, 呈现出常规材料不具备的优越性能。 纳米技术引入生 物传感器领域后, 提高了生物传感器的灵敏度和其它性能, 并促发了新型的生物 传感器的发展。 但纳米生物传感器还正处于起步阶段, 目前仍有具有很大的研究 价值和应用空间。本文就将对纳米生物传感器的有关进展与应用做一综述。 1. 纳米颗粒生物传感器 1.1 酶传感器 酶传感器是最早发展起来的生物传感器。利用酶在生化反应种特殊的催化 作用,可使糖类、醇类、有机酸、氨基酸、激素、三磷酸腺营等生物分子,在常 温下迅速被分解或氧化。 反应过程中消耗或产生的化学物质即可用转换器转变为 电信号记录下来。 1967年 ,Updike SJ 和 Hicks GP 把葡萄糖氧化酶固定化膜和氧 电极组装在一起,制成了第一代酶传感器。近 20年来 , 纳米材料的飞速发展对酶 传感器的发展产生了极大的促进作用 , 各类纳米酶生物传感器不断涌现。目前国 际上已经研制成功的酶传感器有十几种,如葡萄糖、乳酸、尿素、尿酸、过氧化 氢、 胆固醇和氨基酸等传感器。 但酶传感器仍在不断地进行研究和开发, 以达到 酶传感器的完全实用化和商品化。

将纳米颗粒应用于酶传感器 , 提高了传感器的灵敏度 , 缩短了电流响应时间 , 增强了抗干扰能力等。 国内外学者对纳米颗粒增强葡萄糖氧化酶 (GOD生物传感 器开展了大量研究。结果表明 :葡萄糖生物传感器具有选择性高、测试简便、快 速的特点, 是检测葡萄糖浓度最常用的方法。 人的血液和体液中含有许多干扰物 质,通过引入纳米颗粒,还可以改善葡萄糖传感器抗干扰性能。如路会冉 [6]采用 电流置换 的方法 制备 出 Ag-Pt 中空 纳米 颗粒, 并 将其制 备成 制备 Ag-Pt HNPs/CS/Au电极。该电极对于体内可能存在的抗坏血酸以及氯离子基本不受影 响;重现性和稳定性较好。由于 Cu-Pt 中空合金纳米颗粒的制备反应条件更加 温和,且成本更低,制备 Cu-Pt HBNPs/CS/Au 电极,同样可以用于含抗坏血酸 以及氯离子对葡萄糖的检测;重现性和稳定性较好。

1.2 免疫传感器 免疫传感器是由特异抗体与载体结合而成,其对特定的抗原分子具有选择 性的识别能力。 利用纳米金的特异性强、 非特异性吸附作用小、 电子密度大等特 点 , 可以改善免疫传感器的灵敏性。纳米级界面具有较强和明显黏附力活性位点 的比例优于普通界面, 同时能够使表面抗体分布均匀, 提高其活性率, 从而提高

免疫传感器的效率。 Lin Y Y等人 [2]制备了以 CdSe/ZnS纳米颗粒为标记物的免疫层析电化学传 感器 , 实现了人类血清中前列腺特异性抗原的检测。 Zhang L Y等人 [2]将抗体固定 在纳米金 /L—半胱氨酸电极上 , 发展了一种新型的无介无标记免疫传感器。程琼 等人采用化学键合法将乙肝抗体固化在自行制备的纳米磁性高分子功能微球表 面 , 利用免疫夹心反应原理 , 采用示差脉冲伏安法检测血清中乙肝表面抗原。 Lin 等 [1]将纳米金颗粒组装在铟 -锡电极的壳聚糖膜层上来吸附固定癌胚抗原,通过 o- 苯二胺 -H2O2-HRP 电化学体系检测用辣根过氧化物酶标记的抗体含量研究 发现抗体的检测限为 1.0ng/ml 在 2.0-20ng/ml 内具有良好的线性关系。

1.3 DNA 传感器 DNA 传感器是一种伴随着基因工程技术发展而开发出来的一种新型生物 传感器。纳米粒子的特殊结构 , 使其具有其他材料无法比拟的良好的光学和电学 性质。 再加上它的生物相容性 , 使其成为 DNA 生物传感器的理想材料。 将纳米颗 粒引入 DNA 传感器 , 可提高固载的 DNA 量 , 能增强和放大很多电化学检测信号 , 使 DNA 的检测更加灵敏、 可靠。 此类传感器可用于检测靶 DNA, 测定 DNA 序列、 DNA 突变等。

张瑛洧等利用银纳米粒子与 DNA 之间紧密的结合使之有很高的荧光猝灭 效率的原理来检测核酸,对于完全互补和碱基错配的 DNA 序列具有良好的区分 能力。 Liu S F [10]用电沉积法直接在金电极上制备纳米金 , 采用循环伏安法表征了 DNA 的固定与杂交 , 发现 DNA 的固定与杂交量大大提高 , 灵敏度显著改善。 Lu W等人 [11]采用光电化学方法 , 利用纳米金颗粒修饰以 TiO 2为衬底的 DNA 探针 , 实现 了 DNA 杂交的定量检测和非互补碱基对的识别。

1.4 微生物传感器 微生物传感器的测定原理有二种类型 :一类使利用微生物同化底物时消耗 氧的呼吸作用 ; 另一类是利用不同的微生物含有不同的酶,把它作为酶源。 Tan 等人 [5]采用生物修饰的纳米颗粒,通过荧光信号为基础的免疫试验,快速、准确 地检测出单个大肠杆菌 0157:H7,该方法甚至能发展到 384孔微平板的多菌样

本高通量检测。 因此, 用针对不同细菌的特异性抗体来修饰纳米颗粒, 这项纳米 生物技术就能用来检测多种来源的细菌病原体。

2. 纳米管生物传感器 在纳米管生物传感器的研究中,碳纳米管(CNTs 管最为常见,可分为单 壁碳纳米管和多壁碳纳米管。 CNTs 具有良好的导电性、催化活性和较大的比表 面积, 因此被广泛用于修饰电极的研究。 分散性良好的碳纳米管在水溶液或丙酮、 甲醇等有机溶剂中可观察到很强的荧光发射。 基于其独特的电学和光学性质, 碳 纳米管对周围的环境极其敏感,所以可以将其应用于化学传感器。

2.1 酶传感器 酶的结构复杂,活性中心通常包埋于酶内部,很难实现酶与电极间的直接 电子转移。 碳纳米管具有良好的导电性、 稳定性和生物兼容性, 将酶固定到碳米 管表面可以保持酶的生物活性, 有效地促进酶与传感器之间快速、 直接的电子转 移, 提高酶生物传感器的检测速度、 稳定性和使用寿命。 目前已经发展了多种葡 萄糖氧化酶类传感器应用于葡萄糖的检测中, 还可应用于有机磷类化合物的分析 检测。

Dhand 等 [1]将 PANI 和多壁碳纳米管的胶体悬浮液,通过电泳技术沉积在 铟 锡氧化物包被的玻电极上共价固定胆固醇氧化酶制成的胆固醇传感器反应速 度快,灵敏度高,且 12周后酶的存活性也依然非常高,是可能大规模商业化的 生物传感器之一。 Odaci D等人 [12]利用碳纳米管修饰碳糊电极 , 制得了吡喃糖氧化 酶传感器 , 该传感器可用于样品酒中葡萄糖的测定等。

2.2 DNA 传感器 将 DNA 特有的分子识别功能与碳纳米管的优良性能相结合,通过化学吸 附、共价联接、静电吸附等方法将 DNA 固定在碳纳米管上,以期获得性能更加 优良的 DNA 生物传感器。唐婷等人 [2]就利用纳米碳管修饰金电极对特定序列 DNA 进行了检测。 多壁碳管 /铂碳电 MWCNT(Multiple-Wall-Carbon-Nano-Tube/Glassy Carbon 电极可以应用于无标记杂交体的检测,增强的鸟嘌呤信号归于提供的界

面积累而并非电催化反应。 鸟嘌呤和腺嘌呤氧化峰的增加, 电极同样可以通过其 它研究来进行观察,并应用于小牛胸 DNA 的无标记分析检测。还有研究发现, 绝缘 MWCNT 电极阵列的端基通过碳二酰亚胺化学衍生与探针 DNA 连接, Ru (bpy 32+应用于目标分子鸟嘌呤碱基氧化的媒介其检测限低至几千个 DNA 分 子。 美国宾夕法尼亚大学的研究人员在最近的实验表明, 碳纳米管与柯萨奇腺病 毒 (coxsackie— adenovirus 受体的共价官能团可作为生物传感器, 专门检测腺病毒 中的蛋白质。

2.3 免疫传感器 碳纳米管共价修饰抗体或其他受体后,不产生细胞毒性,也不会影响抗体 或受体的免疫活性, 近年来该方法在免疫传感器方面的应用逐渐增加。 有研究表 明 CNT 在免疫传感中具有识别和传导双重作用,扮演了酶的携带以及酶反应抗 原抗体识别释放产物的积累。利用单壁碳纳米管制备了高度灵敏的生物传感器, 用于检测多种癌细胞标记物。碳纳米管还可用于检测植物毒素。 Drouvalakis K A等人 [15]将缩氨酸包被在纳米管上 , 制得可探测人类血清中特定疾病的自身抗体的 免疫传感器。