納米技術(shù)在生物傳感器中的應(yīng)用研究進(jìn)展

1、科技進(jìn)展納米技術(shù)在生物傳感器中的應(yīng)用研究進(jìn)展高鹽生1,董江慶2,徐曉燕13(1.鹽城技術(shù)師范學(xué)院,江蘇鹽城224002;2.鹽城市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局,江蘇鹽城224001摘要:納米材料因其特殊物理結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性質(zhì)在生物傳感器中有著廣泛的應(yīng)用,以納米技術(shù)為基礎(chǔ)的生物傳感器的研究為生命科學(xué)及其相關(guān)領(lǐng)域的研究提供了許多新的方法。介紹了生物傳感器的研究進(jìn)展,分析了固定化酶時(shí)引入納米顆粒的作用,探討了金納米粒子和碳納米管的結(jié)構(gòu)、特性、功能,評(píng)述了納米粒子在生物傳感器中的具體應(yīng)用,展望了納米技術(shù)的介入對(duì)生物傳感器的發(fā)展所帶來的美好前景。關(guān)鍵詞:生物傳感器;納米技術(shù);金納米粒子;碳納米管;應(yīng)用中圖分類號(hào):Q81

2、4.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1002-1116(200803-0004-03生物傳感器是在化學(xué)傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,也是電化學(xué)分析和生物技術(shù)研究最為活躍的領(lǐng)域之一1。生物傳感器與傳統(tǒng)的各種物理傳感器和化學(xué)傳感器的最大區(qū)別在于生物傳感器的感受器中含有生命物質(zhì),以生物活性單元(如酶、抗體、核酸、細(xì)胞等作為敏感基元,通過各種物理、化學(xué)換能器捕捉目標(biāo)物與敏感基元之間的反應(yīng),然后將反應(yīng)程度用離散或連續(xù)的數(shù)字電信號(hào)表達(dá)出來,得出被分析物的信息。生物傳感器具有靈敏度高、準(zhǔn)確度高、選擇性好、檢測(cè)限低、價(jià)格低廉、穩(wěn)定性好、能在復(fù)雜的體系中進(jìn)行快速在線連續(xù)監(jiān)測(cè)等特點(diǎn)2,廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)研究、食品分析、生物、臨

3、床化學(xué)和診斷、農(nóng)業(yè)和畜牧獸醫(yī)、軍事、過程控制與檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)控與保護(hù)等領(lǐng)域3。酶生物傳感器是生物傳感器領(lǐng)域中研究最多的一種類型。酶生物傳感器是由一個(gè)固定化的生物敏感膜和與之密切結(jié)合的換能系統(tǒng)組成,它把固定化酶和電化學(xué)傳感器結(jié)合在一起,靈敏度高,選擇性好。因此,酶電極在生物傳感器領(lǐng)域中占有非常重要的地位。由于酶生物傳感器最主要的一個(gè)元件是固定化的生物敏感膜,因此酶膜的固定一直是生物傳感器研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。酶的固定化方法主要有:吸附法、共價(jià)鍵合法、交聯(lián)法、包埋法、電化學(xué)聚合法和分子自組裝等,但不管哪種固定化方法總不同程度的面臨著酶的泄露和酶活回收率低的問題。固定化酶時(shí)引入納米顆粒能夠增加酶的催化活性,

4、提高電極的響應(yīng)電流值4。這是因?yàn)?首先,納米粒子的表面效應(yīng)使得納米粒子可以吸附大量的活性酶分子,而且納米顆粒可以增強(qiáng)酶在載體表面上的固定作用;其次納米粒具有定向作用,分子在定向之后,其功能會(huì)有所改善;第三,由于金、鉑納米顆粒具有良好的導(dǎo)電性和宏觀隧道效應(yīng),可以作為固定化酶之間、固定化酶與電極之間有效的電子媒介體,從而使得酶的氧化還原中心與電極間通過金屬顆粒進(jìn)行電子轉(zhuǎn)移成為可能,納米顆?？梢越瓶醋魇敲概c電極間一種導(dǎo)線,這樣就有效地提高了傳感器的電流響應(yīng)靈敏度5。1金納米粒子在生物傳感器中的應(yīng)用1.1金納米粒子及其特點(diǎn)金納米粒子(AuNP是指直徑在1100nm之間的金微粒6,它以穩(wěn)定形式存在于溶

5、液中。它具有比表面積大,表面反應(yīng)活性高、表面活性中心多、催化效率高、吸附能力強(qiáng)等性能。納米金粒子因?yàn)槌叽缧?yīng)所造成的表面原子配位不足,虧電子嚴(yán)重,而對(duì)于生物大分子有很強(qiáng)的吸附能力,能高效地固定生物大分子,因此它在設(shè)計(jì)和制備各種具有特定功能的化學(xué)傳感器中具有重要意義。1.2金納米粒子的功能及應(yīng)用由于大多數(shù)生物活性酶的氧化還原中心深埋于分子內(nèi)部,其氧化還原中心與電極表面的距離超過了電子能以足夠速率進(jìn)行轉(zhuǎn)移的距離,因而很難在電極上第36卷第3期2008年6月江蘇化工Jiangsu Che m ical I ndustryJun.20083收稿日期:2008-03-15作者簡(jiǎn)介:高鹽生(1966,女,

6、江蘇鹽城人,高級(jí)講師,碩士,主要從事電化學(xué)技術(shù)應(yīng)用的研究。電話:130*。實(shí)現(xiàn)直接的電子傳遞。金納米顆粒的加入過程中,金納米粒子一方面和酶分子的活性中心結(jié)合,可以加速酶分子到電子中間體的電子傳遞過程;另一方面和電極表面碰在一起,這根納米導(dǎo)線也能擴(kuò)展電極空間,增大和電子中間體的接觸空間。不論接觸到哪個(gè),都有利于電子傳遞時(shí)間縮短,從而提高響應(yīng)電流。納米金溶膠自組裝技術(shù)已有很多報(bào)道,這主要是它能使組裝表面上的蛋白質(zhì)、酶保持穩(wěn)定的生物活性的同時(shí),也使自己保持穩(wěn)定的性質(zhì)。Cai等人7把膠體金納米顆粒固定在半胱氨酸修飾的金電極表面,增大了有效固定面積,可以結(jié)合更多的ss DNA,使得檢測(cè)下限延長(zhǎng)。唐芳瓊等

7、8制備了納米顆粒增強(qiáng)的葡萄糖氧化酶(G OD傳感器,得到響應(yīng)迅速、靈敏度高的直接電子轉(zhuǎn)移的酶電極,開辟了納米顆粒應(yīng)用的新領(lǐng)域。Junwei D i 等9,10用納米金粒子制備生物傳感器,靈敏度高,增敏效果明顯。劉顏等11用納米金溶膠修飾制備的新型葡萄糖生物傳感器響應(yīng)快、靈敏度高、穩(wěn)定性好,對(duì)葡萄糖的線性響應(yīng)范圍為1×10-63×10-3molL-1,檢出限為5×10-7molL-1。并具有抗尿酸、抗壞血酸干擾的特點(diǎn)。高鹽生等12研究了在L-半胱胺酸和金納米顆粒存在下超氧化物歧化酶(S OD固定于硅溶膠-凝膠中的電化學(xué)行為,實(shí)現(xiàn)了酶的直接電子傳遞。2碳納米管在生物傳

8、感器中的應(yīng)用2.1碳納米管的結(jié)構(gòu)及特性碳納米管(CNT是由單層或多層石墨片圍繞中心軸按一定的螺旋角卷繞而成的無縫、中空的“微管”,每層由一個(gè)碳原子通過sp2雜化與周圍3個(gè)碳原子完全鍵合后所構(gòu)成的六邊形組成的圓柱面。根據(jù)形成條件的不同,碳納米管存在多壁碳納米管(MWNTs和單壁碳納米管(S WNTs兩種形式。MWNTs一般由幾層到幾十層石墨片同軸卷繞構(gòu)成,層間間距為0.34nm 左右,其典型的直徑和長(zhǎng)度分別為230nm和0.1 50m。S WNTs由單層石墨片同軸卷繞構(gòu)成,其側(cè)面由碳原子六邊形排列組成,兩端由碳原子的五邊形封頂。管徑一般為1020nm,長(zhǎng)度一般可達(dá)數(shù)十微米,甚至長(zhǎng)達(dá)20cm。碳納

9、米管獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu)使其表現(xiàn)出金屬或半導(dǎo)體特性,利用這種獨(dú)特的電子特性,可以將碳納米管制成電極。碳納米管的表面效應(yīng),即直徑小、表面能高、原子配位不足,使其表面原子活性高,易與周圍的其它物質(zhì)發(fā)生電子傳遞作用12,在電催化和電分析化學(xué)領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景?？捎糜陲@微鏡探針針尖、氣相傳感器、分離檢測(cè)等,在修飾電極上的應(yīng)用尤為廣闊。2.2碳納米管的活化及應(yīng)用一般認(rèn)為,在碳納米管表面引入一些電活性基團(tuán),經(jīng)過活化才能有較好的電化學(xué)響應(yīng)。活化的方法一般分為兩類:(1在制成電極前對(duì)碳納米管進(jìn)行活化,包括在氣相中用空氣或等離子體氧化或用酸(主要是濃HNO3氧化。以濃HNO3處理碳納米管的方法是:將碳納米管在濃

10、硝酸中浸泡10h后,100濃硝酸回流56h。再將得到的懸濁液離心分離、烘干,得到粉末狀開管硝基化的碳納米管。取1mg分散至3mL的N,N-二甲基甲酰胺(DMF中,超聲分散15m in,備用。(2制成電極后,用電化學(xué)方法進(jìn)行活化,即將碳納米管電極在一定溶液中(如磷酸鹽緩沖溶液于一定電位范圍內(nèi)循環(huán)掃描。經(jīng)過活化以后,根據(jù)所用介質(zhì)的不同,可以在碳管表面引入含氧、甚至含硫的基團(tuán),一般包括羥基、羰基、羧基、酚類和醌類化合物等,這些電活性基團(tuán)可以催化或促進(jìn)其他物質(zhì)的電子傳遞反應(yīng)。研究初期,人們首先將碳納米管制成電極并用于對(duì)神經(jīng)遞質(zhì)多巴胺的電催化氧化,開辟了碳納米管應(yīng)用的新領(lǐng)域。Davis等13也用類似的方

11、法制作了碳納米管電極,使細(xì)胞色素C等生物蛋白質(zhì)分子在碳納米管電極上能發(fā)生準(zhǔn)可逆的電化學(xué)反應(yīng)。用碳納米管修飾電極以達(dá)到預(yù)期的目的一直處于研究中14-17。蔡稱心等18報(bào)道了辣根過氧化物酶(HRP在碳納米管修飾GC電極表面的固定及直接電化學(xué)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:HRP在CNT/GC電極表面能進(jìn)行有效和穩(wěn)定的直接電子轉(zhuǎn)移,獲得了其良好的循環(huán)伏安峰形,在生物傳感器中引入納米顆粒顯著提高了電極的響應(yīng)電流值,極大地增強(qiáng)了傳感器的電流響應(yīng)靈敏度,有效實(shí)現(xiàn)了酶在電極上的直接電化學(xué)。Cai等19用碳納米管固定葡萄糖氧化酶實(shí)現(xiàn)了電子的直接轉(zhuǎn)移。許銀玉等20將分散在Nafi on溶液中的多壁碳納米管修飾玻碳電極構(gòu)建電流型

12、葡萄糖生物傳感器,該傳感器顯示了良好的傳感性能,其檢測(cè)線性范圍為2.1×10-5-7.6×10-3 molL-1。尹峰等21將多壁碳納米管和聚丙烯胺層層自組裝制得葡萄糖生物傳感器,其靈敏度較高,抗干擾能力較強(qiáng)。Jian wen Wang等22利用碳納米管將HRP固定在電極表面得到性能良好的生物傳感器,發(fā)生了準(zhǔn)可逆的電化學(xué)反應(yīng),檢測(cè)線性范圍為5×10-7-3×10-4 molL-1,檢測(cè)限為1×10-7molL-1。3結(jié)語納米生物研究是一個(gè)新誕生的交叉學(xué)科領(lǐng)域,它既是國(guó)際科學(xué)前沿,也是與人類健康和生活密切相關(guān)的重要社會(huì)問題。在這個(gè)研究領(lǐng)域,充滿了

13、科學(xué)創(chuàng)新5第36卷第3期高鹽生等:納米技術(shù)在生物傳感器中的應(yīng)用研究進(jìn)展的機(jī)遇。納米技術(shù)的介入為生物傳感器的發(fā)展提供了無窮的想象,納米技術(shù)已經(jīng)而且將繼續(xù)為生物傳感器的發(fā)展帶來突破,它們的有機(jī)結(jié)合必將為人類科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步帶來更美好的未來。參考文獻(xiàn):1王麗江,陳松月,劉清君,等.納米技術(shù)在生物傳感器及檢測(cè)中的應(yīng)用J.傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2006,19(3:581-587. 2李松林,崔建明.導(dǎo)電聚合物固定酶生物傳感器研究進(jìn)展J.材料導(dǎo)報(bào),2006,20(4:38-40.3錢軍民,奚西峰,黃海燕.我國(guó)酶?jìng)鞲衅餮芯啃逻M(jìn)展J.石化技術(shù)與應(yīng)用,2002,20(5:333-336.4周路,袁若,柴雅琴,等.納米金增

14、強(qiáng)DNA修飾金電極電化學(xué)性能的研究J.西南師范大學(xué)學(xué)報(bào),2004,29(5:789-794.5任湘菱,孟憲偉,唐芳瓊.納米鉑顆粒在生物傳感器中的應(yīng)用研究J.功能材料與器件學(xué)報(bào),2006,11(2:246-250.6張志妮,崔作林.納米技術(shù)和納米材料M.北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2000:32.7Cai H,Xu C,He P.Coll oid Au2enhanced DNA i m mobi2lizati on for the dectr oche m ical detecti on of sequence2s pe2cific DNAJ.Journaof Elect m analytical C

15、he m istry,2001,510(1-2:78-85.8唐芳瓊,孟憲偉,陳東,等.納米顆粒增強(qiáng)的葡萄糖生物傳感器J.中國(guó)科學(xué)(B輯,2000,30(2:119-124. 9D i Jun wei,Shen Chunp ing,Peng Shaohua.A one2step2method t o constructa third2generati on bi osens or basedonhorseradish per oxidase and gold nanoparticles e mbeddedin silica s ol2gel net w ork on gold modified

16、 electr odeJ.Analytica Chi m ica Acta,2005,553:196-200.10D i Jun wei,Peng Shaohua,Shen Chunp ing,et al.One2stepmethod e mbedding super oxide dis mutase and gold nanop2articles in silica s ol2gel net w ork in the p resence of cyste2ine f or constructi on of third2generati on bi osens orJ.B i2osens or

17、sand B i oelectr onics,2007,23:88-94.11劉顏,袁若,柴雅琴.聚亞甲基藍(lán)和納米金修飾玻碳電極的葡萄糖生物傳感器J.分析測(cè)試學(xué)報(bào),2005,24(4:24-27.12高鹽生,彭少華,沈春平.基于自組裝和溶膠-凝膠固定超氧化物歧化酶的直接電化學(xué)J.常熟理工學(xué)院學(xué)報(bào),2007,21(2:49-52.13Davis J J,Cole man K S,Aza mian B R,et al.Green MLHche mical and bi oche mical sensing with modified single walledcarbon nanotubesJ.C

18、he m Eur,2003,9:3732-3739. 14Musa meh M,Wang J,Merkoci A.Lo w2potential stableNADH detecti on at carbon2nanotube2modified glassy carbonelectr odesJ.Electr oche m Co mmun,2002,4:743-746. 15W ang J,L iM,Shi Z.D irect electr oche m istry of cyt ochr o mecat a glassy carbon electr ode modified with sing

19、le2wall car2bon nanotubesJ.Anal Che m,2002,74:1993-1997. 16Yin X,Chatt opadhyay D,Galeska I.Per oxidase activity ofenzy mes bound t o the ends of single2wall carbon nanotubef orest electr odesJ.Electr oche m Com2mun,2003,5:408-411.17Gooding J J,W ibowo R,L iu J.Pr otein electr oche m istry u2sing al

20、igned carbon nanotube arraysJ.Am Che m Soc,2003,125:9006-9007.18蔡稱心,陳靜.碳納米管電極上辣根過氧化物酶的直接電化學(xué)J.化學(xué)學(xué)報(bào),2004,62(3:335-340. 19Cai C,Chen J.D irect electr on transfer of glucose oxidasep r omoted by carbon nanotubesJ.Analytical B i oche m is2try,2004,332:75-83.20許銀玉,吳朝陽,陳利國(guó).基于鉑納米顆粒修飾碳納米管Nafi on膜電極的葡萄糖傳感器J.化

21、學(xué)傳感器,2006,26(2:48-53.21尹峰,趙紫霞,吳寶艷.基于多壁碳納米管和聚丙烯胺層層自組裝的葡萄糖生物傳感器J.分析化學(xué),2007,35(7:1021-1024.22W ang J ian wen,Gu M ing,D i Jun wei,et al.A carbonnanotube/silica s ol2gel architecture f or i m mobilizati on ofhorseradish per oxidase f or electr oche m ical bi osens orJ.B i op r ocess B i osyst Eng,2007,3

22、0:289-296.(下轉(zhuǎn)第22頁綜合信息三房巷參股新加坡裕廊芳烴集團(tuán)國(guó)際項(xiàng)目由江蘇三房巷集團(tuán)出資5500萬美元,與新加坡裕廊集團(tuán)有限公司合作的煉油芳烴聯(lián)合裝置重大國(guó)際項(xiàng)目,日前獲得國(guó)家商務(wù)部正式批準(zhǔn)。這是迄今為止無錫地區(qū)乃至江蘇全省企業(yè)境外投資的單個(gè)最大項(xiàng)目。這也為江蘇企業(yè)實(shí)施“走出去”戰(zhàn)略開創(chuàng)了新的模式。參與新加坡裕廊集團(tuán)有限公司的煉油芳烴聯(lián)合裝置重大國(guó)際項(xiàng)目,將使江蘇三房巷集團(tuán)較好地解決生產(chǎn)聚酯類產(chǎn)品原料緊缺問題,為企業(yè)做強(qiáng)做大、不斷提升國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。(www.che m 2008-06-05參考文獻(xiàn):1金煉鐵,余紅杰.三氯吡啶酚及其鈉鹽的合成J .精細(xì)化工,2002,1

23、9(8:474-476.2張柏青,周曙光,胡軍,等.毒死蜱的合成研究J .農(nóng)藥,1999,38(7:4-5.3許振元,許丹倩.毒死蜱的合成研究J .農(nóng)藥,1998,37(1:15-17.4許丹倩,許振元.3,5,6-三氯吡啶-2-酚的合成J .浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1996,24(1:16-23.5Lorraine M K,W alnut C .Pr ocess f or p reparing phos pho 2r othi oates and phenyl phos phor othi oates:US,3907815P .1973-05-21.6Pierre R R.Pr ocess for

24、 p r oducing 2,3,5,62tetrachl or opyr 2idine and 3,5,62trichl or opyridin 222ol:US,4327216P .1980-11-24.7Frank H,A lvin M.Pr ocess f or p r oducing 2,3,5,62tetra 2chl or opyridine:US,4703123P .1986-09-19.8Pe w R G,M ich M.Pr ocess f or p r oducing 3,5,62trichl or o 2pyridin 222ol:US,4996323P .1989-0

25、5-12.9楊浩,肖國(guó)民.殺蟲劑毒死蜱的合成進(jìn)展J .應(yīng)用化工,2003,32(2:10-11.10楊齊放.水溶劑法合成毒死蜱的研究J .江西化工,2005(4:129-130.Synthesis of Hi gh Effect I nsecti c i de Chlorpyri fos by Aqueous SolventLU Yang 1,T AO J ing 2zhao 2,ZHANG Zhi 2r ong 1.O ffice of O rganic Che m istry,X inyang A griculture College,X inyang 464000China;2.Che

26、m istry D epart m ent of Zhengzhou U niversity,Zhengzhou 450001,China; 3.Henan Province FuB ang Pesticides Che m ical Engineering Co m pany M anager ,X inyang 464000,ChianAbstract:Preparati on of chl or pyrif os was investigated by one 2pot method,utilizing O ,O 2diethyl phos phor ochl orido 2thi oa

27、te and 3,5,62trichl or o 222pyridinol s odium p repared fr om 2,3,5,62tetrachl or opyridine and caustic s odium as the starting materials .A ne w method of the synthesis of chl or pyrif os was reported by using three compound cata 2lysts .The op ti m u m reacti on conditi ons via aqueous phase were

28、investigated,and the yield and purity of chl or pyrifos were over 95%and 97%res pectively .The structure of synthesized compound was confir med by I R and 1H NMR.Key words:chl or pyrif os;synthesis;aqueous phase;3,5,62trichl or o 222pyridinol s odium(上接第6頁Research and Appli cati on of Nano 2technology i n Bi ologi cal SensorsG AO Yan 2sheng 1,DONG Jang 2qing 2,