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 張雯歆【摘要】 :隨著納米技術(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, 檢測限的降低, 線性檢測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)域檢測方面應(yīng)用的研究進(jìn)展進(jìn)行簡 單的概述。【關(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

2、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 introduc

3、ed. The development 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 多種生命和化學(xué)物質(zhì)。納米

4、技術(shù)主要是針對(duì)尺度為 1 nm100 nm之間的分子世 界的一門技術(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價(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 酶傳感器酶傳感器是最早發(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

5、 作用,可使糖類、醇類、有機(jī)酸、氨基酸、激素、三磷酸腺營等生物分子,在常 溫下迅速被分解或氧化。 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)?電信號(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,制成了第一代酶傳感器。近 20年來 , 納米材料的飛速發(fā)展對(duì)酶 傳感器的發(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 際上已經(jīng)研制成功的酶傳感器有十幾種,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。 但酶傳感器仍在不斷地進(jìn)行研究和開發(fā), 以達(dá)到 酶傳感器的完全實(shí)用化和商品化。將納米顆粒應(yīng)用

6、于酶傳感器 , 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、測試簡便、快 速的特點(diǎn), 是檢測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

7、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;重現(xiàn)性和穩(wěn)定性較好。1.2 免疫傳感器免疫傳感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

8、前列腺特異性抗原的檢測。 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)原理 , 采用示差脈沖伏安法檢測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

9、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)檢測信號(hào) , 使 DNA 的檢測更加靈敏、 可靠。 此類傳感器可用于檢測靶 DNA, 測定 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 F 10用電沉積法直接在金電極上

10、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 TiO 2為襯底的 DNA 探針 , 實(shí)現(xiàn) 了 DNA 雜交的定量檢測和非互補(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

11、本高通量檢測。 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。 基于其獨(dú)特的電學(xué)和光學(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 酶傳感器酶的結(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

12、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)用于葡萄糖的檢測中, 還可應(yīng)用于有機(jī)磷類化合物的分析 檢測。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

13、吡喃糖氧化 酶傳感器 , 該傳感器可用于樣品酒中葡萄糖的測定等。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。 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,增強(qiáng)的鳥嘌呤信號(hào)歸于提供的界面積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)

14、行觀察,并應(yīng)用于小牛胸 DNA 的無標(biāo)記分析檢測。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限低至幾千個(gè) DNA 分 子。 美國賓夕法尼亞大學(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 (coxsackie adenovirus 受體的共價(jià)官能團(tuán)可作為生物傳感器, 專門檢測腺病毒 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)用逐漸增加。 有研究表 明 CNT 在免疫傳

15、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, 用于檢測多種癌細(xì)胞標(biāo)記物。碳納米管還可用于檢測植物毒素。 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 干擾、不需要參比器件就能夠監(jiān)測微環(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 , 以檢測微環(huán)境中 的 pH

16、 值。 Kopelman 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 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。 它具有檢測范圍寬、 穩(wěn)定性強(qiáng)、

17、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

18、靶向分子與腫瘤細(xì)胞表 面標(biāo)志物分子結(jié)合，利用物理方法來測量傳感器中的磁信號(hào)、光信號(hào)等，可實(shí)現(xiàn) 腫瘤的定位和顯象，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)射波長的 CdSe-ZnS-抗體結(jié)合物， 采用夾心免疫檢測法，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。 5. 納米線生物傳感器 硅納米線具有良好

19、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)檢測的 生物傳感器及其陣列,用于檢測 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 2 Y 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利用納米線場效應(yīng)晶 體管直接、實(shí)時(shí)地從樣本中檢測到單個(gè)流行性感冒病毒 A 顆粒。Ch

20、en W W 等人 2 以熱蒸發(fā)氧化物輔助生長機(jī)理所得硅納米線作為電子輸運(yùn)體制備了用于檢測 6 葡萄糖的安培生物傳感器。KumarA 等人2利用功能化納米線,采用酶片段互補(bǔ)技 術(shù),制得超靈敏皮質(zhì)醇探測傳感器。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, 線性檢測范圍、響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)定性和檢測限等都有所改善。但仍存在許多技術(shù) 難題和挑戰(zhàn)，比如,納

21、米材料的生物相容性和功能性;對(duì)納米傳感器進(jìn)行長期的在 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(30:31-33 2 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

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