收稿日期:2008210208
基金项目:国家自然科学基金(No.20775033,20675037;国家“973”课题(No.2007CB936404
3通讯联系人:陈洪渊,男,院士,研究方向:电分析化学. 第25卷第2期
Vol.25 No.2分析科学学报J OU RNAL OF ANAL YTICAL SCIENCE 2009年4月Apr.2009文章编号:100626144(2009022*******
纳米材料在电化学生物传感器中的应用 扎热木?萨迪克1,2,都 颖1,徐静娟1,陈洪渊31
(1.南京大学化学化工学院生命分析化学教育部重点实验室,江苏南京210093; 2.新疆伊犁师范学院化学与生物科学学院,新疆伊宁835000
摘 要:纳米材料因其具有独特的性质,被广泛应用于研制和发展具有超高灵敏度、超
高选择性的电化学生物传感器。本文总结了纳米材料在电化学生物传感系统中的主要
功能,介绍了近年来国内外基于纳米材料构建的电化学生物传感器的研究进展,并对该
领域的发展前景做出了展望。
关键词:纳米材料;电化学;生物传感器;综述 中图分类号:O657.1 文献标识码:A
1 引言
近年来,生命科学、生物技术、电分析技术和表面科学等领域的交叉融合,促进了一门新兴的学科领域———生命电分析化学的诞生。而蓬勃发展的纳米技术,特别是各种具有特殊性质的纳米材料的出现及应用,又为在这一领域中提出新的测试原理和检测技术,发展新型、灵敏的电化学生物传感器,打开了一片新天地。在方法上,追求超高灵敏度和超高选择性的倾向导致科学研究由宏观向介观、微观尺度的迈进,出现了许多新型的电极体系;在技术上,利用交叉学科方法将纳米材料在光、电、磁等方面的特殊功能有机地结合运用于电极界面,从而实现在分子和原子水平上进行实时、现场和活体监测的目的;在应用上,利用纳米材料独特的吸附性能和良好的生物相容性,构建纳米2生物功能界面,为研究生命现象中的某些基本过程提供了可能。本文旨在从纳米材料的功能角度评述近年来其在电化学生物传感器中的应用进展,并对其发展前景做出展望。
2 纳米材料在电化学生物传感器中的特殊功能
纳米材料是指三维空间尺寸至少有一维处于纳米级(通常为1~100nm 的材料。由于其特殊的尺寸分布,纳米材料具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应,表现出一系列独特的力学、电学、光学、磁学以及催化性能。在电化学生物传感器领域引入的纳米材料主要起到以下几种作用:(1加快电子转移速率,增加氧化还原物质在电极表面反应的可逆性;(2催化反应;(3固定生物分子;(4标记生物分子;(5反应控制开关;(6作为反应物。
2.1 加速电子传递
具有良好导电性能的纳米材料如金属纳米粒子和碳纳米管等,既能作为导线连接在生物分子与电极之间,又能起到加快异相界面电子传递速率的作用,增加了氧化还原物质在电极表面反应的可逆性,是优良的电极或电极修饰材料。
金属纳米粒子(如金、银等和碳纳米管可以作为电子导线,连接于蛋白质(酶与电极之间,促进蛋白质的活性中心和电极之间的电子转移,制备具有特殊性能的生物传感器。Willner 研究组[1]将1.4nm 的
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第2期扎热木?萨迪克等:纳米材料在电化学生物传感器中的应用第25卷 金纳米粒子与葡萄糖氧化酶(GOx的辅因子2黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD相连,然后与除去辅因子的GOx重组为新的GOx,并通过双巯基分子将酶组装到金电极上。该电极在测定葡萄糖时,酶与电极之间通过金纳米粒子传递电子,其电子传递速率是天然酶与其天然底物氧之间电子传递速率的7倍。由于金纳米粒子传递电子的速率远快于氧,该传感器在测定葡萄糖时不受溶解氧浓度的影响,同样地也不受还原性物质抗坏血酸的干扰。之后,他们又将长度为纳米级的碳纳米管一端固定在电极上,另一端连接上FAD,再将其除去辅因子后的GOx残余蛋白重组为新的GOx[2]。碳纳米管也可在重组酶与电极之间象导线一样传递电子,其电子传递速率是天然酶与其天然底物氧之间电子传递速率的6倍。且电子传递速率的快慢与碳纳米管的长度有关,如使用长度为25nm的碳纳米管得到的电子传递速率是使用长度为50 nm的碳纳米管时的1.5倍。徐静娟等[3]将17nm的金纳米粒子引入层层组装复合膜,构建葡萄糖生物传感器。在多层膜中,金纳米粒子连接于GOx与电极之间,起到了电子导线的作用,并大大加快了膜的电子传递速率。
此外,许多生物分子如肌红蛋白(Mb[4,5]、血红蛋白(Hb[6-8]、细胞色素C(Cyt c[9]、辣根过氧化物酶(HRP[10-12]等在电极上的直接电化学也可以通过金属或金属氧化物纳米粒子及碳纳米管的传导作用进行。鞠 先等[4]将一种二氧化锆的杂化复合膜和Mb共同固定在石墨电极表面,复合膜的存在加速了电极和Mb之间的电子传递,使得此传感器可以在无媒介体的情况下催化还原过氧化氢,取得了良好的效果。李根喜等[9]利用巯基DNA将金纳米粒子层层组装在金电极上,再固定Cyt c。
金纳米粒子起到了在Cyt c与电极之间传递电子的作用,可观察到Cyt c的直接电化学;在一定范围内,随着组装金纳米粒子层数的增多,Cyt c的电化学响应电流增大。
除了作为电子导线,金属纳米粒子[13]和碳纳米管[14]还具有提高电化学敏感膜中电活性物质的氧化还原可逆性的功能。Choi等[14]用琼脂糖将葡萄糖氧化酶和连接了二茂铁的单壁碳纳米管固定在玻碳电极表面,单壁碳纳米管的引入提高了二茂铁氧化还原反应的可逆性,同时消除了溶解氧对测定的干扰,实现了对葡萄糖的快速灵敏检测。
2.2 催化反应(电催化
纳米材料由于其粒径小,具有高比表面积和高表面能的特点,催化效率极高。金属及其氧化物纳米粒子[15-24]、碳纳米材料(碳纳米管、纳米金刚石[25-33]及普鲁士蓝[34-39](类普鲁士蓝等纳米材料因其在催化反应中展现出良好的性能,被广泛的应用于电化学生物传感器。
金属纳米材料能够催化多种电活性物质(如尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH和H2O2的氧化或还原,降低其在电化学反应中的过电位。Raj等[15]发现,NADH在金纳米粒子掺杂的溶胶凝胶薄膜修饰电极上从-0.3V即开始氧化,在0V达到最大。Compton等[16]发现银纳米粒子可以催化H2O2的还原,基于此制备的修饰电极对H2O2的检测限为2.2μmol/L。铂纳米粒子对H2O2还有催化氧化的作用,Halaoui等[18]通过自组装的方法将铂纳米粒子固定在修饰了聚二烯丙基二甲胺(PDDA的氧化铟锡(ITO电极表面,得到了高灵敏的H2O2传感器。由于NADH是300多种脱氢酶的辅酶,而H2O2是氧化酶的反应产物和过氧化物酶的底物,通过对NADH和H2O2的高选择性测定,可以有效检测很多种酶或底物的浓度[19-21]。钯和铱纳米粒子具有和铂类似的作用,因此也常常被用作氧化酶的固定材料检测底物[22-24]。
碳纳米材料,如碳纳米管,因其直径小、表面能高且原子配位不足,很容易与其它物质发生电子转移作用,在电催化方面有着广阔的应用前景。G orski等[25]将碳纳米管分散在壳聚糖溶液中,形成碳纳米管2壳聚糖复合物。该复合物具有良好的成膜性,并且对NAD H表现出良好的催化氧化能力,NAD H在该复合膜上的氧化电位
降低了300mV。在对葡萄糖脱氢酶进行固定后,该传感器可以对5.0~300μmol/L的葡萄糖进行定量检测。陈洪渊研究组[26]用一步电沉积法将壳聚糖包裹的多壁碳纳米管固定在玻碳电极表面,它可以同时催化O2和H2O2的反应。基于此构建的生物传感器,可以在不同的电位对底物进行检测,能够有效地消除抗坏血酸等电活性物质的干扰。利用碳纳米管修饰电极对H2O2或NAD H的电催化作用,可以间接测定许多酶的底物和抑制剂,如胆碱[27,28]、乙醇[29,30]、有机磷杀虫剂[31]等。另外,由于DNA中的鸟嘌呤和腺嘌呤残基可在碳纳米管修饰电极上发生氧化,这种修饰电极还可以用于DNA的检测[32]。其它碳材料,如纳米金刚石在近年来也引起了电化学研究者的注意。徐静娟等[33]研究发现,电化学预处理可以显著提高无掺杂金刚石纳米粒子修饰电极的导电性和对氧气的电催化还原能力。基于此构
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建了通过检测溶解氧电流来测定葡萄糖浓度的生物传感器(低电位检测,排除了常见电活性物质的干扰。
普鲁士蓝及其同系物,对H2O2具有很强的电化学催化能力,被誉为催化H2O2还原的“模拟酶”。由于其在0V附近就可以对H2O2进行还原,检测中可以避免多种物质的干扰,因此普鲁士蓝通常可以作为电子媒介体,与氧化酶共同组装到电极表面,通过测定氧化酶催化底物过程中产生的H2O2浓度来测定相应底物的浓度[34-36]。夏兴华研究组[34]将普鲁士蓝2聚乙烯基吡啶2多壁碳纳米管复合物滴涂在金电极表面,再用萘酚膜将GOx固定到复合膜上,实现了对葡萄糖的快速灵敏检测。徐静娟等[36]将PDDA包裹的普鲁士蓝和GOx通过层层组装,制备了葡萄糖传感器,在-0.15V条件下可以测定0.15~15mmol/L 的葡萄糖。此外,胆固醇[37]、胆碱[38]及尿酸[39]等生物分子也可以通过用普鲁士蓝和相应的氧化酶构建而成的电化学生物传感器,实现对其快速、灵敏和高选择性的测定。
2.3 生物分子的固定
纳米材料在电化学生物传感器中的应用重点
