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1、生物传感器分类生物传感器分类生物传感器分类生物传感器分类 生物传感器（生物传感器（biosensor）生物传感器(biosensor)是利用生物特异性识别过程来实现检测的传感器件，通常以生物活性单元(如酶、抗原、抗体、核酸、细胞器、细胞膜、细胞、组织等)作为敏感基元，与被分析物产生高度选择性生物亲和或生物催化反应产生的各种物理、化学变化被转换元件捕获，进而实现将生物学信息转换为可识别和测量的电信号。根据不同的基础传感器件，生物传感器可分为6大类型:电化学生物传感器、介体生物传感器、热生物传感器、压电晶体生物传感器、半导体生物传感器和光生物传感器。其中，电化学生物传感器占有重要的位置。第1页/共
2、13页碳纳米管的结构和特性碳纳米管（carbonnanotube，简称CNT）又名巴基管，是由单层或多层石墨绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管，其中碳以sp2轨道杂化方式成键。作为一维纳米材料，CNT重量轻，六边形结构连接完美，具有独特的力学性质、优异的电学性能和稳定的化学物理特性，将其用于修饰电极，可以降低化学物质氧化还原反应的过电位，改善生物分子氧化还原可逆性。CNT具有特殊的管状结构，体积极小，作为高效传质单元能够容易地穿过细胞壁，因此将其应用于生物传感器具有极大优势。第2页/共13页碳纳米管的结构和特性CNT比表面积大，既有利于酶的固定化，促进酶活性中心与电极表面的电子传递，
3、还易于吸附有机分子，用它去修饰电极，可以提高对H+等的选择性，制成电化学传感器。不同温度下吸附微量氧气能改变CNT的导电性，可在金属和半导体之间转换。在CNT内局部填充碱金属可以形成pn结。在CNT内填充光敏、湿敏、压敏等材料，可以制成纳米级的各种功能传感器。第3页/共13页CNT在生物传感器方面的应用CNT在制备和纯化过程中表面产生的缺陷和基团，通过共价或非共价的方法使CNT的某些性质发生改变，尤其突出的是分散性，使其更适于研究和应用。对CNT功能化修饰的研究可以使人们能够按照特定的目的来改造CNT的固有特性，从而将大大扩展CNT的应用前景。CNT作为电极材料优点:低电阻，即导电性好;优良的
4、化学稳定性;低质量密度;原子结构和大的长径比决定了大的比表面积;特殊的电极/电解质界面对溶液有良好的浸润性，电极反应的灵敏度和再现性好。第4页/共13页1利用CNT改善生物分子的氧化还原可逆性将MWNT悬浊液滴加于处理后的玻碳电极表面，待溶剂挥发后形成MWNT修饰电极。在pH=6.3的磷酸缓冲液中对该电极进行循环伏安扫描，通过分析扫描结果可发现，电极反应来自于CNT表面羧基的氧化还原，并且是一个4电子、4质子的电极反应过程。其电极反应式表示如下:还原过程:MWNT-COOH+4e+4H+WMNT-CH2-OH+H2O氧化过程:WMNT-CH2-OH+H2O 4eMWNT-COOH+4H+实验表
5、明，将CNT修饰电极和玻碳电极分别在01mol的亚铁氰化钾溶液中作循环伏安扫描。亚铁氰化钾/铁氰化钾电对是接近理想状态的准可逆电对，对于一个具有理想表面状态的电极来说，它的峰电位差(E)接近59mV(25)。经过仔细处理后的玻碳电极的E为87mV，而CNT修饰电极的E仅为64mV，表明CNT修饰电极的表面结构更接近于理想状态。CNT在生物传感器方面的应用第5页/共13页CNT在生物传感器方面的应用2CNT在酶生物传感器中的应用酶生物传感器的作用机理是在化学电极的表面组装固定化酶膜，当酶膜上发生酶促反应时产生电极活性物质，电极对之响应。由于响应信号与底物的浓度之间存在一定的线性关系，因而可以测得
6、被检测物的浓度。以葡萄糖氧化酶(Glucoseoxidase，GOD)传感器为例，其电催化工作原理为:酶层:glucose+GOD2FADgluconolactone+GOD2FADH2GOD2FADH2+O2GOD2FAD+H2O2电极:H2O22H+O2+2e氧在电极上的氧化还原反应产生响应电流，电流大小与氧在溶液中的浓度以及传质速度有关。若要消除氧浓度变化而引起的检测误差，可以检测酶反应所产生的过氧化氢。第6页/共13页CNT在生物传感器方面的应用研究发现，CNT修饰电极对过氧化氢的还原表现出优异的电催化效果。这就有可能将CNT修饰电极用于开发酶生物传感器。CNT作为酶的固定材料，同时也
7、作为基础电极的修饰材料制成传感器即成为新型的CNT修饰酶传感器。该类传感器的优点主要有以下3点:(1)CNT良好的电学性质使得它作为一种修饰材料，在电化学反应中能够有效地促进电子传输，提高酶传感器的检测速度，降低过电位，提高检测的灵敏度;(2)CNT大的比表面积能够提高酶的负载量，从而改善传感器的灵敏度;(3)CNT良好的生物相容性，有利于保持酶的活性，因而有利于提高酶传感器的稳定性和使用寿命。第7页/共13页通过共价键形成的GODMWNT传感器CNT在生物传感器方面的应用第8页/共13页3CNT在生物气体传感器中的应用CNT具有特殊的一维中空结构，大的比表面积以及较石墨(0.335nm)略大
8、的层间距(0.343nm)，能够吸附许多物质，填充其中。由于吸附的气体分子与CNT发生相互作用，改变其费米能级，引发其宏观电阻发生较大改变。因此CNT可应用于气敏传感通过测量其表观电阻的变化来检测气体成分。Collins等研究了SWNT表面对分子氧的吸附。真空环境下分子氧的吸附可以增加CNT的电导。同样的环境下高温加热CNT可以彻底解吸附。Kong发现，用SWNT制成的微小化学探针，室温下对低浓度的NO2和NH3分子能产生快速的吸附，灵敏度很高。CNT气体传感器和普通气体传感器相比具有尺寸小、反应快、灵敏度高、表面积大、能在室温或更高温度下操作等诸多优点，并可将SWNT置于新环境或者通过加热后
9、重新使用。CNT可制得最小的生物医学分子级气敏元件，其响应时间比目前使用的同类金属氧化物或聚合物传感器至少快一个数量级。CNT在生物传感器方面的应用第9页/共13页4CNT在DNA生物传感器中的应用CNT在生物传感器方面的应用Cheng构建CNT掺杂壳聚糖DNA传感器检测大马哈鱼精DNA，亚甲基蓝作为DNA指示剂。实验证明，CNT将电极有效面积提高3倍，且有效提高亚甲基蓝与电极之间电子传递速度。该传感器检测限达到0.252nmol/L，当干扰剂人血清白蛋白浓度达到5g/mL时，选择性仍很高。Kerman等将MWNT制作的纳米线与DNA作用后直接吸附到碳糊电极(CPE)上，循环伏安测量的结果表明
10、:用结合有DNA分子的MWNT修饰的CPE电极的伏安信号比仅仅用MWNT修饰的CPE电极或裸CPE电极的伏安信号强得多。DNA链与cDNA链的杂交或与有错配DNA的杂交前后的信号都能被检测到，说明DNA修饰MWNT电极具有极强的分子识别功能、选择性好、灵敏度高、响应快等优点，用于电化学检测是极好的电极材料。第10页/共13页展 望纵观当前的研究，CNT生物传感器电极的研究基本都是采用无序的CNT固定或镶嵌在基础电极表面上的方法，其CNT随意弯曲、互相缠绕，对其性质研究和实际应用都造成了很大的影响。而定向排列的CNT阵列电极，其取向高度一致、管径均匀、CNT阵列不含杂质，有利于电活性物质在其表面
11、的快速反应，使传感器的性能得到很大的提高。因此，制作高灵敏性CNT阵列传感器是一个重点的研究方向。国内外对CNT在生物传感器中的应用研究主要集中于CNT修饰生物传感器对基底物质检测性能和电化学性能的变化。尽管目前CNT生物传感器的研究工作已取得较大进展，但仍然存在实验结果重复性较差、生物分子易失活、固定效率低、制备工艺较繁琐、难以规模化生产等问题，且多数传感器检测对象只限于一种目标物。因此，CNT在生物传感器中的应用研究主要还是集中在实验室的基础上，距离实际应用还有一段很漫长的过程。但是随着各种新技术的出现及电极的微型化发展，其用于在线活体分析的条件已经日趋成熟。第11页/共13页第12页/共13页谢谢您的观看！第13页/共13页