納米生物傳感器研究進展及其應(yīng)用

1、納米生物傳感器的研究進展及其應(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)時間的縮短等方面 的性能得到了很好的改善。 本文主要對納米顆粒、 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)用的研究進展進行簡 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

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別 元件(包括酶、抗體、抗原、微生物、細胞、組織、核酸等生物活性物質(zhì)與適 當?shù)睦砘瘬Q能器及信號放大裝置構(gòu)成 , 具有接受器與轉(zhuǎn)換器的功能 , 從而能夠檢測 多種生命和化學物質(zhì)。納米

4、技術(shù)主要是針對尺度為 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,因此有著獨特的化學性質(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值和應(yīng)用空間。本文就將對納米生物傳感器的有關(guān)進展與應(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)生的化學物質(zhì)即可用轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)?電信號記錄下來。 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)展對酶 傳感器的發(fā)展產(chǎn)生了極大的促進作用 , 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行研究和開發(fā), 以達到 酶傳感器的完全實用化和商品化。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)時間 , 增強了抗干擾能力等。 國內(nèi)外學者對納米顆粒增強葡萄糖氧化酶 (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, 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,其對特定的抗原分子具有選擇 性的識別能力。 利用納米金的特異性強、 非特異性吸附作用小、 電子密度大等特 點 , 可以改善免疫傳感器的靈敏性。納米級界面具有較強和明顯黏附力活性位點 的比例優(yōu)于普通界面, 同時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納米顆粒為標記物的免疫層析電化學傳 感器 , 實現(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記免疫傳感器。程瓊 等人采用化學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 電化學體系檢測用辣根過氧化物酶標記的抗體含量研究 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和電學 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 , 能增強和放大很多電化學檢測信號 , 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,對于完全互補和堿基錯配的 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采用光電化學方法 , 利用納米金顆粒修飾以 TiO 2為襯底的 DNA 探針 , 實現(xiàn) 了 DNA 雜交的定量檢測和非互補堿基對的識別。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,通過熒光信號為基礎(chǔ)的免疫試驗,快速、準確 地檢測出單個大腸桿菌 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, 用針對不同細菌的特異性抗體來修飾納米顆粒, 這項納米 生物技術(shù)就能用來檢測多種來源的細菌病原體。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、 甲醇等有機溶劑中可觀察到很強的熒光發(fā)射。 基于其獨特的電學和光學性質(zhì), 碳 納米管對周圍的環(huán)境極其敏感,所以可以將其應(yīng)用于化學傳感器。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 特有的分子識別功能與碳納米管的優(yōu)良性能相結(jié)合,通過化學吸 附、共價聯(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特定序列 DNA 進行了檢測。 多壁碳管 /鉑碳電 MWCNT(Multiple-Wall-Carbon-Nano-Tube/Glassy Carbon 電極可以應(yīng)用于無標記雜交體的檢測,增強的鳥嘌呤信號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

14、行觀察,并應(yīng)用于小牛胸 DNA 的無標記分析檢測。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衍生與探針 DNA 連接, Ru (bpy 32+應(yīng)用于目標分子鳥嘌呤堿基氧化的媒介其檢測限低至幾千個 DNA 分 子。 美國賓夕法尼亞大學的研究人員在最近的實驗表明, 碳納米管與柯薩奇腺病 毒 (coxsackie adenovirus 受體的共價官能團可作為生物傳感器, 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修飾抗體或其他受體后,不產(chǎn)生細胞毒性,也不會影響抗體 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, 用于檢測多種癌細胞標記物。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 (如細胞、亞細胞結(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 損傷的生物標志物 的光纖納米免疫傳感器。 Ghanbari K H 等人 13采用電化學方法 , 利用聚吡咯納米纖維修飾電極 , 制備出了一種新型電化 學 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、

17、重復(fù)利用率高、 響應(yīng)時間短等優(yōu)點。而且在過去的幾年中, 另外發(fā)展了好幾種光學生物傳感器來進行各種生物相關(guān) 種類的分析， 包括通過細胞色素 c和熒光標記的細胞色素 c的熒光檢測來檢驗氮 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. 納米量子點生物傳感器 近年來，納米量子點用于生物傳感器的研究備受關(guān)注。量子點是納米尺寸 （通常在 220 nm）的半導(dǎo)體納米微晶體，目前研究的重點在于如何對量子點 表面進行有效的生化修飾。 腫瘤生物傳感器由量子點與能夠識別腫瘤細胞標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、靶向分子與腫瘤細胞表 面標志物分子結(jié)合，利用物理方法來測量傳感器中的磁信號、光信號等，可實現(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-親和素的特異性識別， 將生物素化的麥芽糖結(jié)合蛋白-量子點結(jié)合子固定到玻片上。研究表明，這種自 組裝法可以對量子點進行有效的表面修飾，表現(xiàn)出很強的特異性。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 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、無標記和實時檢測的 生物傳感器及其陣列,用于檢測 pH、葡萄糖、細胞和 DNA 等參數(shù)。 Wang 等2報導(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)的一項技術(shù)平臺。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。 PatolskyF 等人2利用納米線場效應(yīng)晶 體管直接、實時地從樣本中檢測到單個流行性感冒病毒 A 顆粒。Ch

20、en W W 等人 2 以熱蒸發(fā)氧化物輔助生長機理所得硅納米線作為電子輸運體制備了用于檢測 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,其檢測限可達到 10fmol/L,同時,還 可識別非互補序列。 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性能指標(如, 線性檢測范圍、響應(yīng)時間、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;對納米傳感器進行長期的在 體評估;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)展需要不同學術(shù)背景的研究者密切合作，通過概念、知識和技術(shù)上的互相 交流來達到不斷創(chuàng)新、共同進步，比如，把單細胞和單分子力學與微機電加工、 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)展的一個關(guān)鍵所在， 并將使 分子生物學發(fā)展到一個嶄新的水平。 參考文獻 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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