納米生物傳感器研究進(jìn)展及其應(yīng)用

1、納米生物傳感器的研究進(jìn)展及其應(yīng)用 張?chǎng)╈А菊浚弘S著納米技術(shù)在生物傳感器領(lǐng)域的不斷引入，納米生物傳感器在靈敏度的提高，檢測(cè)限的降低，線性檢測(cè)范圍的拓寬以及響應(yīng)時(shí)間的縮短等方面的性能得到了很好的改善。本文主要對(duì)納米顆粒、納米纖維、納米管以及納米量子生物傳感器在酶、免疫以及DNA等生化領(lǐng)域檢測(cè)方面應(yīng)用的研究進(jìn)展進(jìn)行簡(jiǎn)單的概述?！娟P(guān)鍵詞】：納米材料 生物傳感器 應(yīng)用Advances of Research on application of Nano-materials in biosensors【Abstract】：With the development of nanotechnology ,

2、 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 develop

3、ment of this field prospected in the future.【Keywords】:nano-materials; biosensors; application納米技術(shù)和生物技術(shù)是21世紀(jì)的兩大領(lǐng)先技術(shù)，在這兩者之間存在著許多技術(shù)交叉，其中，納米生物傳感技術(shù)已然引起了研究領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。生物傳感器是一類特殊形式的傳感器，由固定化的生物敏感材料作為識(shí)別元件（包括酶、抗體、抗原、微生物、細(xì)胞、組織、核酸等生物活性物質(zhì)）與適當(dāng)?shù)睦砘瘬Q能器及信號(hào)放大裝置構(gòu)成,具有接受器與轉(zhuǎn)換器的功能,從而能夠檢測(cè)多種生命和化學(xué)物質(zhì)。納米技術(shù)主要是針對(duì)尺度為1 nm100 nm之間的分子世界

4、的一門技術(shù)。該尺寸處在原子、分子為代表的微觀世界和宏觀物體交界的過渡區(qū)域，因此有著獨(dú)特的化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)，如表面效應(yīng)、微尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等，呈現(xiàn)出常規(guī)材料不具備的優(yōu)越性能。納米技術(shù)引入生物傳感器領(lǐng)域后，提高了生物傳感器的靈敏度和其它性能，并促發(fā)了新型的生物傳感器的發(fā)展。但納米生物傳感器還正處于起步階段，目前仍有具有很大的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用空間。本文就將對(duì)納米生物傳感器的有關(guān)進(jìn)展與應(yīng)用做一綜述。1. 納米顆粒生物傳感器1.1 酶?jìng)鞲衅髅競(jìng)鞲衅魇亲钤绨l(fā)展起來的生物傳感器。利用酶在生化反應(yīng)種特殊的催化作用，可使糖類、醇類、有機(jī)酸、氨基酸、激素、三磷酸腺營(yíng)等生物分子，在常溫下迅速被分

5、解或氧化。反應(yīng)過程中消耗或產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)即可用轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)記錄下來。1967年,Updike SJ和Hicks GP把葡萄糖氧化酶固定化膜和氧電極組裝在一起，制成了第一代酶?jìng)鞲衅?。?0年來,納米材料的飛速發(fā)展對(duì)酶?jìng)鞲衅鞯陌l(fā)展產(chǎn)生了極大的促進(jìn)作用,各類納米酶生物傳感器不斷涌現(xiàn)。目前國(guó)際上已經(jīng)研制成功的酶?jìng)鞲衅饔惺畮追N，如葡萄糖、乳酸、尿素、尿酸、過氧化氫、膽固醇和氨基酸等傳感器。但酶?jìng)鞲衅魅栽诓粩嗟剡M(jìn)行研究和開發(fā)，以達(dá)到酶?jìng)鞲衅鞯耐耆珜?shí)用化和商品化。將納米顆粒應(yīng)用于酶?jìng)鞲衅?提高了傳感器的靈敏度,縮短了電流響應(yīng)時(shí)間,增強(qiáng)了抗干擾能力等。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)納米顆粒增強(qiáng)葡萄糖氧化酶(GOD)生物傳

6、感器開展了大量研究。結(jié)果表明:葡萄糖生物傳感器具有選擇性高、測(cè)試簡(jiǎn)便、快速的特點(diǎn)，是檢測(cè)葡萄糖濃度最常用的方法。人的血液和體液中含有許多干擾物質(zhì)，通過引入納米顆粒，還可以改善葡萄糖傳感器抗干擾性能。如路會(huì)冉6采用電流置換的方法制備出Ag-Pt 中空納米顆粒，并將其制備成制備 Ag-Pt HNPs/CS/Au電極。該電極對(duì)于體內(nèi)可能存在的抗壞血酸以及氯離子基本不受影響；重現(xiàn)性和穩(wěn)定性較好。由于 Cu-Pt 中空合金納米顆粒的制備反應(yīng)條件更加溫和，且成本更低，制備Cu-Pt HBNPs/CS/Au 電極，同樣可以用于含抗壞血酸以及氯離子對(duì)葡萄糖的檢測(cè)；重現(xiàn)性和穩(wěn)定性較好。1.2 免疫傳感器免疫傳感

7、器是由特異抗體與載體結(jié)合而成，其對(duì)特定的抗原分子具有選擇性的識(shí)別能力。利用納米金的特異性強(qiáng)、非特異性吸附作用小、電子密度大等特點(diǎn),可以改善免疫傳感器的靈敏性。納米級(jí)界面具有較強(qiáng)和明顯黏附力活性位點(diǎn)的比例優(yōu)于普通界面，同時(shí)能夠使表面抗體分布均勻，提高其活性率，從而提高免疫傳感器的效率。Lin Y Y等人2制備了以CdSe/ZnS納米顆粒為標(biāo)記物的免疫層析電化學(xué)傳感器,實(shí)現(xiàn)了人類血清中前列腺特異性抗原的檢測(cè)。Zhang L Y等人2將抗體固定在納米金/L半胱氨酸電極上,發(fā)展了一種新型的無介無標(biāo)記免疫傳感器。程瓊等人采用化學(xué)鍵合法將乙肝抗體固化在自行制備的納米磁性高分子功能微球表面,利用免疫夾心反應(yīng)

8、原理,采用示差脈沖伏安法檢測(cè)血清中乙肝表面抗原。Lin等1將納米金顆粒組裝在銦-錫電極的殼聚糖膜層上來吸附固定癌胚抗原，通過o- 苯二胺-H2O2-HRP 電化學(xué)體系檢測(cè)用辣根過氧化物酶標(biāo)記的抗體含量研究發(fā)現(xiàn)抗體的檢測(cè)限為1.0ng/ml 在2.0-20ng/ml 內(nèi)具有良好的線性關(guān)系。1.3 DNA傳感器DNA傳感器是一種伴隨著基因工程技術(shù)發(fā)展而開發(fā)出來的一種新型生物傳感器。納米粒子的特殊結(jié)構(gòu),使其具有其他材料無法比擬的良好的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)。再加上它的生物相容性,使其成為DNA生物傳感器的理想材料。將納米顆粒引入DNA傳感器,可提高固載的DNA量,能增強(qiáng)和放大很多電化學(xué)檢測(cè)信號(hào),使DNA的檢

9、測(cè)更加靈敏、可靠。此類傳感器可用于檢測(cè)靶DNA,測(cè)定DNA序列、DNA突變等。張瑛洧等利用銀納米粒子與DNA之間緊密的結(jié)合使之有很高的熒光猝滅效率的原理來檢測(cè)核酸，對(duì)于完全互補(bǔ)和堿基錯(cuò)配的DNA序列具有良好的區(qū)分能力。Liu S F10用電沉積法直接在金電極上制備納米金,采用循環(huán)伏安法表征了DNA的固定與雜交,發(fā)現(xiàn)DNA的固定與雜交量大大提高,靈敏度顯著改善。Lu W等人11采用光電化學(xué)方法,利用納米金顆粒修飾以TiO2為襯底的DNA探針,實(shí)現(xiàn)了DNA雜交的定量檢測(cè)和非互補(bǔ)堿基對(duì)的識(shí)別。1.4 微生物傳感器微生物傳感器的測(cè)定原理有二種類型:一類使利用微生物同化底物時(shí)消耗氧的呼吸作用;另一類是利

10、用不同的微生物含有不同的酶，把它作為酶源。Tan等人5采用生物修飾的納米顆粒，通過熒光信號(hào)為基礎(chǔ)的免疫試驗(yàn)，快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)出單個(gè)大腸桿菌0157：H7，該方法甚至能發(fā)展到384孔微平板的多菌樣本高通量檢測(cè)。因此，用針對(duì)不同細(xì)菌的特異性抗體來修飾納米顆粒，這項(xiàng)納米生物技術(shù)就能用來檢測(cè)多種來源的細(xì)菌病原體。2. 納米管生物傳感器在納米管生物傳感器的研究中，碳納米管（CNTs）管最為常見，可分為單壁碳納米管和多壁碳納米管。CNTs具有良好的導(dǎo)電性、催化活性和較大的比表面積，因此被廣泛用于修飾電極的研究。分散性良好的碳納米管在水溶液或丙酮、甲醇等有機(jī)溶劑中可觀察到很強(qiáng)的熒光發(fā)射?；谄洫?dú)特的電學(xué)和光

11、學(xué)性質(zhì)，碳納米管對(duì)周圍的環(huán)境極其敏感，所以可以將其應(yīng)用于化學(xué)傳感器。 2.1 酶?jìng)鞲衅髅傅慕Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，活性中心通常包埋于酶內(nèi)部，很難實(shí)現(xiàn)酶與電極間的直接電子轉(zhuǎn)移。碳納米管具有良好的導(dǎo)電性、穩(wěn)定性和生物兼容性，將酶固定到碳米管表面可以保持酶的生物活性，有效地促進(jìn)酶與傳感器之間快速、直接的電子轉(zhuǎn)移，提高酶生物傳感器的檢測(cè)速度、穩(wěn)定性和使用壽命。目前已經(jīng)發(fā)展了多種葡萄糖氧化酶類傳感器應(yīng)用于葡萄糖的檢測(cè)中，還可應(yīng)用于有機(jī)磷類化合物的分析檢測(cè)。 Dhand等1將PANI和多壁碳納米管的膠體懸浮液，通過電泳技術(shù)沉積在銦 錫氧化物包被的玻電極上共價(jià)固定膽固醇氧化酶制成的膽固醇傳感器反應(yīng)速度快，靈敏度高，且12

12、周后酶的存活性也依然非常高，是可能大規(guī)模商業(yè)化的生物傳感器之一。Odaci D等人12利用碳納米管修飾碳糊電極,制得了吡喃糖氧化酶?jìng)鞲衅?該傳感器可用于樣品酒中葡萄糖的測(cè)定等。2.2 DNA傳感器將DNA特有的分子識(shí)別功能與碳納米管的優(yōu)良性能相結(jié)合，通過化學(xué)吸附、共價(jià)聯(lián)接、靜電吸附等方法將DNA固定在碳納米管上，以期獲得性能更加優(yōu)良的DNA生物傳感器。唐婷等人2就利用納米碳管修飾金電極對(duì)特定序列DNA進(jìn)行了檢測(cè)。多壁碳管/鉑碳電MWCNT(Multiple-Wall-Carbon-Nano-Tube/Glassy Carbon電極）可以應(yīng)用于無標(biāo)記雜交體的檢測(cè)，增強(qiáng)的鳥嘌呤信號(hào)歸于提供的界面積

13、累而并非電催化反應(yīng)。鳥嘌呤和腺嘌呤氧化峰的增加，電極同樣可以通過其它研究來進(jìn)行觀察，并應(yīng)用于小牛胸DNA的無標(biāo)記分析檢測(cè)。還有研究發(fā)現(xiàn)，絕緣MWCNT 電極陣列的端基通過碳二酰亞胺化學(xué)衍生與探針DNA連接，Ru（bpy）32+應(yīng)用于目標(biāo)分子鳥嘌呤堿基氧化的媒介其檢測(cè)限低至幾千個(gè)DNA分子。美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)的研究人員在最近的實(shí)驗(yàn)表明，碳納米管與柯薩奇腺病毒(coxsackieadenovirus)受體的共價(jià)官能團(tuán)可作為生物傳感器，專門檢測(cè)腺病毒中的蛋白質(zhì)。2.3 免疫傳感器碳納米管共價(jià)修飾抗體或其他受體后，不產(chǎn)生細(xì)胞毒性，也不會(huì)影響抗體或受體的免疫活性，近年來該方法在免疫傳感器方面的應(yīng)用逐漸增

14、加。有研究表明CNT在免疫傳感中具有識(shí)別和傳導(dǎo)雙重作用，扮演了酶的攜帶以及酶反應(yīng)抗原抗體識(shí)別釋放產(chǎn)物的積累。利用單壁碳納米管制備了高度靈敏的生物傳感器，用于檢測(cè)多種癌細(xì)胞標(biāo)記物。碳納米管還可用于檢測(cè)植物毒素。Drouvalakis K A等人15將縮氨酸包被在納米管上,制得可探測(cè)人類血清中特定疾病的自身抗體的免疫傳感器。3. 納米光纖生物傳感器較其他類型的傳感器,納米光纖生物傳感器體積小、靈敏度高、不受電磁場(chǎng)干擾、不需要參比器件就能夠監(jiān)測(cè)微環(huán)境(如細(xì)胞、亞細(xì)胞結(jié)構(gòu))中各成分濃度的漸變以及其在空間的不均一性。Kopelman R等人2最早使用了熒光法的光纖納米傳感器,以檢測(cè)微環(huán)境中的pH值。Ko

15、pelman R等人又研制出局部生物性包埋的膠囊樣探針傳感器。Dinh T V等人成功研制出用于檢測(cè)BPT (benzopyrene tetrol,一種與暴露于致癌物質(zhì)苯并芘相關(guān)的DNA損傷的生物標(biāo)志物)的光纖納米免疫傳感器。Ghanbari K H等人13采用電化學(xué)方法,利用聚吡咯納米纖維修飾電極,制備出了一種新型電化學(xué)DNA傳感器。該傳感器具有較好的線性范圍(0. 051. 0mol/L)和較低的檢測(cè)限(0. 02mol/L)。Martha LW等人14利用準(zhǔn)直納米碳纖制得電流型無試劑酶生物傳感器。它具有檢測(cè)范圍寬、穩(wěn)定性強(qiáng)、重復(fù)利用率高、響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。而且在過去的幾年中, 另外發(fā)展了

16、好幾種光學(xué)生物傳感器來進(jìn)行各種生物相關(guān)種類的分析，包括通過細(xì)胞色素c和熒光標(biāo)記的細(xì)胞色素c的熒光檢測(cè)來檢驗(yàn)氮氧化合物的納米生物傳感器, 還包括以酶為基礎(chǔ)的用谷氨酸胺脫氫酶為受體間接測(cè)定谷氨酸的納米生物傳感器。4. 納米量子點(diǎn)生物傳感器近年來，納米量子點(diǎn)用于生物傳感器的研究備受關(guān)注。量子點(diǎn)是納米尺寸（通常在220 nm）的半導(dǎo)體納米微晶體，目前研究的重點(diǎn)在于如何對(duì)量子點(diǎn)表面進(jìn)行有效的生化修飾。腫瘤生物傳感器由量子點(diǎn)與能夠識(shí)別腫瘤細(xì)胞標(biāo)志物的特異性靶向分子，如特異性配體、單克隆抗體、核酸探針等組裝而成，通過靶向分子與腫瘤細(xì)胞表面標(biāo)志物分子結(jié)合，利用物理方法來測(cè)量傳感器中的磁信號(hào)、光信號(hào)等，可實(shí)現(xiàn)腫

17、瘤的定位和顯象，有利于腫瘤的早期診斷。Sapsford 等1采用單分子層自組裝法，在玻片上修飾一層中性親和素單分子層，通過生物素-親和素的特異性識(shí)別，將生物素化的麥芽糖結(jié)合蛋白-量子點(diǎn)結(jié)合子固定到玻片上。研究表明，這種自組裝法可以對(duì)量子點(diǎn)進(jìn)行有效的表面修飾，表現(xiàn)出很強(qiáng)的特異性。Goldman 等1制備了不同發(fā)射波長(zhǎng)的CdSe-ZnS-抗體結(jié)合物， 采用夾心免疫檢測(cè)法，可以實(shí)現(xiàn)霍亂毒素、蓖麻毒素、類志賀毒素1 以及葡萄球菌腸毒素B 的同步檢測(cè)。5. 納米線生物傳感器硅納米線具有良好的光學(xué)性能和自然的氧化層,易于制備,重復(fù)利用率高,因而,成為傳感器的理想材料。利用它已經(jīng)可以制作高靈敏、無標(biāo)記和實(shí)時(shí)

18、檢測(cè)的生物傳感器及其陣列,用于檢測(cè)pH、葡萄糖、細(xì)胞和DNA等參數(shù)。Wang等2報(bào)導(dǎo)了一種硅納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)裝置，在酪氨酸蛋白激酶(Abl)的介導(dǎo)下，它能高度敏感，免標(biāo)記地直接檢測(cè)到ATP以及ATP的小分子阻斷劑(Gleevec)，因此能成為藥物開發(fā)的一項(xiàng)技術(shù)平臺(tái)。Cui 2Y等人用胺和羥基修飾攙硼硅納米導(dǎo)線,制作成納米pH計(jì)。PatolskyF等人2利用納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管直接、實(shí)時(shí)地從樣本中檢測(cè)到單個(gè)流行性感冒病毒A顆粒。Chen W W等人2以熱蒸發(fā)氧化物輔助生長(zhǎng)機(jī)理所得硅納米線作為電子輸運(yùn)體制備了用于檢測(cè)葡萄糖的安培生物傳感器。KumarA等人2利用功能化納米線,采用酶片段互

19、補(bǔ)技術(shù),制得超靈敏皮質(zhì)醇探測(cè)傳感器。Zhang G J等人2用脫氧硅納米線制得度量戍糖核酸脫氧核糖核酸雜交的高靈敏傳感器,其檢測(cè)限可達(dá)到10fmol/L,同時(shí),還可識(shí)別非互補(bǔ)序列。展望：納米生物技術(shù)是國(guó)際生物技術(shù)領(lǐng)域的前沿和熱點(diǎn)問題，在生物傳感器領(lǐng)域中著廣泛的應(yīng)用和明確的產(chǎn)業(yè)化前景。新型納米生物傳感器的各項(xiàng)性能指標(biāo)(如,線性檢測(cè)范圍、響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)定性和檢測(cè)限等)都有所改善。但仍存在許多技術(shù)難題和挑戰(zhàn)，比如,納米材料的生物相容性和功能性;對(duì)納米傳感器進(jìn)行長(zhǎng)期的在體評(píng)估;納米顆粒還不能修飾生物大分子等問題還有待解決。此外，納米生物技術(shù)的發(fā)展需要不同學(xué)術(shù)背景的研究者密切合作，通過概念、知識(shí)和技術(shù)上的

20、互相交流來達(dá)到不斷創(chuàng)新、共同進(jìn)步，比如，把單細(xì)胞和單分子力學(xué)與微機(jī)電加工、微全分析和納米微流控技術(shù)的結(jié)合起來是納米技術(shù)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵所在，并將使分子生物學(xué)發(fā)展到一個(gè)嶄新的水平。參考文獻(xiàn)1 陳鈺, 劉仲明,王捷. 納米材料在生物傳感器中的應(yīng)用J. 醫(yī)療衛(wèi)生裝備, 2009,06(30):31-332 姜利英, 姚斐斐, 任景英, 張法全, 賀振東, 崔光照. 納米材料在生物傳感器中的應(yīng)用J. 傳感器與微系統(tǒng), 2009,28 (5):4-73 馮瑞華. 國(guó)外納米生物傳感器研究新進(jìn)展J. 新材料產(chǎn)業(yè),2010,05:65-67 4 黃強(qiáng)，劉紅英，方賓. 電化學(xué)DNA生物傳感器研究的應(yīng)用進(jìn)展J. 化

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