纳米生物传感器研究进展及其应用

纳米生物传感器研究进展及其应用

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

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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TiO2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

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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

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