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1、 传感器与微系统(Transducer andMicrosystem Technologies)2009年 第28卷 第5期纳米材料在生物传感器中的应用3姜利英,姚斐斐,任景英,张法全,贺振东,崔光照(郑州轻工业学院 电气信息工程学院,河南 郑州450002)摘 要:将纳米材料应用于新型生物传感器的开发已成为研究热点。纳米材料的引入,拓宽了线性检测范围,缩短了响应时间,提高了稳定性,并降低了检测限等,实现了改善传感器性能的目的。概述了纳米颗粒、纳米纤维、纳米超薄膜等在酶、免疫、DNA等生物传感器中的应用,并对其发展前景作了展望。关键词:纳米材料;生物传感器;纳米颗粒;纳米纤维;纳米超薄膜中图分
2、类号:TP 212 文献标识码:A 文章编号:1000-9787(2009)05-0004-04Application of nanomateri als i n biosensor3J I ANGLi2ying,YAO Fei2fei,REN Jing2ying,ZHANG Fa2quan,HE Zhen2dong,CU I Guang2zhao(I nstitute of Electrical and I nformation Engineeri ng,Zhengzhou Un iversity of L ight I ndustry,Zhengzhou 450002,China)Abst
3、ract:An intensive research effort is performed in the field of nanobiosensors.The unique properties ofnanomaterials realize an objective to improve sensitive sensor with a wide linear range,a highly reproducibleresponse,long2term stability and so on.The application of nanomaterials(such as nanoparti
4、cle,nanofiber,nanofil m)in biosensor field is introduced.The development of this field is prospected in the future.Key words:nanomaterials;biosensor;nanoparticle;nanofiber;nanofilm0 引 言20世纪80年代初发展起来的纳米材料,由于具有奇异的物理、化学特性和广阔的应用前景而享有“跨世纪的新材料”之称。纵观20多年来纳米材料的发展,可将其分为3类:纳米微粒、纳米固体和纳米组装体系。纳米微粒是处于1100 nm之间的各种
5、粒子的总称;纳米固体是由纳米微粒聚集而成的凝聚体;纳米组装体系则是由人工组装合成的,具有纳米结构的材料的总称,也叫纳米尺度的图案材料。纳米材料独特的结构,使其具有四大效应:表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应。生物传感器是信息科学、生物技术和生物控制论等多学科交叉融合而形成的新兴高科技领域。Turner A P F教授将它定义为:生物传感器是一种精致的分析器件,它结合一种生物的或生物衍生的敏感元件与一只理化换能器,能够产生间断或连续的数字电信号,信号强度与被分析物成比例。纳米技术应用于生物传感器,为生物传感器的发展带来了新的契机,创造了更为广阔的空间。纳米材料奇异的特性,使得生
6、物传感器的灵敏度、检测限和响应范围等性能指标得到了很大的提升。本文根据纳米材料的结构特点,收稿日期:2008-11-053 基金项目:国家自然科学基金资助项目(60773122)分别介绍了纳米颗粒、纳米纤维、纳米超薄膜等在生物传感器中的应用。1 纳米颗粒的应用纳米颗粒具有独特的化学和物理性质,可应用于电学、光学、催化、磁性材料、生物技术、药物输送等领域。其中,生物传感器是纳米颗粒最有前途的应用领域之一。1.1 酶传感器酶传感器是最早发展起来的生物传感器。1962年,在纽约科学院学术会议上,Clark L C教授首次描述了酶传感器;1967年,Updike S J和Hicks G P采用了更有效
7、的酶固定化方法,实现葡萄糖酶电极的功能。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。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。Xu X X等人在丝网印刷的碳电极表面用胶体金修饰,免疫结合山葵过氧化酶制作H2O2生物传感器,结果发现山葵过氧化酶的电催化性能和电流响应显著改善,信号线性范围有了很大的提高(0.81.0mmol/L),检测下限也降低至0.4mol/L。孟宪伟等人1以Au,Ag,Pt,SiO2纳米颗粒4第5期 姜利英,等:纳米材料在生物传感器中的应用 和金属无机复合纳米颗粒与聚乙烯醇缩丁
8、醛构成复合固定酶膜基质,采用溶胶凝胶法固定葡萄糖氧化酶,制得葡萄糖生物传感器。此法改进了生物传感器的抗干扰能力,使信噪比提高了32倍。金利通课题组制备了掺杂有中性红的Si O2纳米颗粒,和戊二醛交联后再分别与葡萄糖氧化酶、黄嘌呤氧化酶、乳酸氧化酶和L谷氨酸氧化酶结合,得到以中性红作为电子媒介体的酶生物传感器阵列。高新义等人2用纳米银颗粒和壳聚糖膜作为复合固酶基质,以电聚合于玻碳电极的天青A作为电子传递媒介,采用溶胶凝胶法固定葡萄糖氧化酶,制得了抗尿酸、坏血酸干扰的葡萄糖生物传感器。Manso J等人3用纳米金修饰电极,制得安培型双酶体系生物传感器,用于检测食物中的菊糖。1.2DNA传感器DNA
9、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。Mirkin C A小组利用胶乳微球和纳米金粒子探针,发展了一种简单有效的DNA序列检测方法。Pathak S等人采用荧光原位杂交方法,用CdSe/ZnS纳米粒子作为量子点标记的寡聚核苷酸探针进行染色体异常或突变的研究,不仅稳定性好,而
10、且,不损害抗体、蛋白质或DNA等的活性,荧光量子产率也很高。W illner I研究小组采用磁性纳米粒子作为DNA载体和复制放大的模板,利用化学发光技术成功实现了对目标DNA分子和含有一个错配碱基对DNA的检测。Nam J和Thaxton C S等人4报道了一种基于磁性纳米粒子的生物条码方法检验DNA。Liu S F5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6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。1.3 免疫传感器免疫分析
11、是基于抗原与抗体之间的特定作用,并利用测定特定标记物的活性达到测量抗体的目的。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。程琼等人7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。Fan A P等人8将原始、抗体固定在磁珠上,二级抗体修饰在Au上,然后,通过夹心法方式捕获目标生物分子等形成含有多抗的复合物,运用化学免疫法测定人类免疫血球蛋白G。贺秀兰等人9利用L半胱胺酸的双官能团结合双层纳米金,同时,用聚乙烯醇缩丁醛薄膜的笼效应把乙肝表面抗体和纳米金固定在玻碳电极上,从而制得
12、了高灵敏免疫传感器。Lin Y Y等人10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。据报道,该法速度快,临床适用性强,比其他的检测诊断花费低。Zhang L Y等人11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。1.4 其 他采用磁性纳米粒子作为生物分子标记材料,结合分子识别技术,可以实现细菌、病毒等样品的检测和分离。Richardson J等人利用抗原抗体的识别作用,通过偶联有抗病毒抗体的磁性纳米粒子与病毒识别后对周围水分子中氢质子自旋弛豫时间的影响,借助核磁共振成像技术实现对病毒的检测。Weiss
13、leder R研究小组利用高分子和生物分子来共同修饰Fe3O4粒子,最终得到可用于体内检测的高效率细胞内磁标记材料。Gu H W等人利用功能化的磁性纳米颗粒实现了对低浓度细菌的检测。2 纳米纤维的应用2.1 纳米管在纳米管的研究中,以碳纳米管的研究最为热门。碳纳米管良好的表面化学性能和电学性能,有助于生物传感器灵敏度的提高、反应速度的加快和检测范围的拓广。学者们利用碳纳米管制备了各种类型的传感器。Aihara K等人12制作了微波碳纳米管电磁共振生物传感器,用于气体和生物分子的灵敏检测。Sotiropoulou S等人13开发出了碳纳米管阵列生物传感器。但碳纳米管阵列的制备难度相当高,价格也比
14、较贵,离应用还有相当一段距离。金利通课题组利用SnO2功能化碳纳米管制备出新型无介尿酸生物传感器,该传感器具有较好的抗干扰性能、较宽的线性范围和较高的灵敏度。唐婷等人14利用纳米碳管修饰金电极对特定序列DNA进行了检测。麦智彬等人15利用硫堇作为介体结合多壁碳纳米管、壳聚糖、辣根过氧化酶的混合包埋物制作了H2O2生物传感器,该传感器对H2O2具有明显的增敏效应,且具有良好的稳定性和工作寿命。Odaci D等人16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。Drouvalakis K A等人17将缩氨酸包被在纳米管上,制得可探测人类血清中特定疾病的自身
15、抗体的5 传 感 器 与 微 系 统 第28卷免疫传感器。Liu X Q等人18制备了基于单壁碳纳米管的电流型葡萄糖生物传感器。该传感器具有灵敏度高(1.06A/mmol/L)、稳 定 性 强,线 性 范 围 达 到06.0mmol/L,而且,能避免一般的共存干扰。Wu X C等人19用血红蛋白修饰非功能性碳纳米管,制得可测定血液中H2S含量的传感器。2.2 纳米线硅纳米线具有良好的光学性能和自然的氧化层,易于制备,重复利用率高,因而,成为传感器的理想材料。利用它已经可以制作高灵敏、无标记和实时检测的生物传感器及其阵列,用于检测pH、葡萄糖、细胞和DNA等参数。Cui Y等人用胺和羟基修饰搀硼
16、硅纳米导线,制作成纳米pH计。Patolsky F等人20利用纳米线场效应晶体管直接、实时地从样本中检测到单个流行性感冒病毒A颗粒。WangW U等人21报道了一种硅纳米线场效应晶体管装置,在酪氨酸蛋白激酶的介导下,能高度敏感、免标记地直接检测到ATP与ATP的小分子阻断剂。Chen W W等人22以热蒸发氧化物辅助生长机理所得硅纳米线作为电子输运体制备了用于检测葡萄糖的安培生物传感器。Ku2marA等人23利用功能化纳米线,采用酶片段互补技术,制得超灵敏皮质醇探测传感器。Aravamudhan S等人24将金纳米线应用于微流平台,制得可估算血液总胆固醇的生物传感器。Zhang G J等人25
17、用脱氧硅纳米线制得度量戍糖核酸脱氧核糖核酸杂交的高灵敏传感器,其检测限可达到10 fmol/L,同时,还可识别非互补序列。2.3 纳米光纤较其他类型的传感器,纳米光纤生物传感器体积小、灵敏度高、不受电磁场干扰、不需要参比器件。Kopelman R等人最早使用了荧光法的光纤纳米传感器,以检测微环境中的pH值。Kopel man R等人又研制出局部生物性包埋的胶囊样探针(probes encapsulated by bio2logically localized embedding,PEBBLE)传感器。Dinh TV等人成功研制出用于检测BPT(benzo pyrene tetrol,一种与暴露
18、于致癌物质苯并芘相关的DNA损伤的生物标志物)的光纤纳米免疫传感器。Ghanbari K H等人26采用电化学方法,利用聚吡咯纳米纤维修饰电极,制备出了一种新型电化学DNA传感器。该传感器具有较好的线性范围(0.051.0mol/L)和较低的检测限(0.02mol/L)。Mar2tha L W等人27利用准直纳米碳纤制得电流型无试剂酶生物传感器。它具有检测范围宽、稳定性强、重复利用率高、响应时间短等优点。3 纳米超薄膜的应用纳米多孔硅膜有高比表面积,可以增加可固敏感分子数量,从而提高传感器的灵敏度。另外,它与现有硅加工技术相容,便于各种形式的微加工和大规模生产。有人在多孔硅的表面固定抗体、DN
19、A等敏感分子,通过检测光干涉和折射率的变化,从而构建了新型的免标记生物传感器。MaxwellD J等人制备了纳米银超薄膜,利用它产生的表面增强拉曼光谱(surface2enhanced Raman scattering,SERS)信号可以检测指纹信息和生物大分子,如,腺嘌呤和抗生素阿莫西林等。Malhotra B D等人28制备的聚乙烯咔唑/硬脂酸尿素酶生物传感器可以重复利用10次。Fu R等人29利用通过自组装法在导电玻璃电极上制备的Ti O2和过氧化酶复合膜,构建了响应快速、稳定性强的H2O2传感器。Luo X L等人30利用电聚合法将聚苯胺纳米薄膜包被在硅颗粒表面形成核壳结构,不仅可有效
20、提高辣根过氧化酶的吸附性,而且,增大了电极的活性区域。JesusM C等人31采用静电自组装技术制备了基于生物纳米超薄膜的光纤葡萄糖传感器,该传感器显示了高度的敏感性和稳定性。4 结 论随着纳米技术的融入,使生物传感器这一领域更加充满活力。新型纳米生物传感器的各项性能指标(如,线性检测范围、响应时间、稳定性和检测限等)都有所改善。但仍存在许多技术难题和挑战。如,纳米材料的生物相容性和功能性仍需进一步改进;对纳米传感器进行长期的在体评估;由于原子空间排列问题,纳米颗粒还不能修饰生物大分子等问题有待解决。可以确信,开发高性能和高灵敏的第三代无电子媒介体纳米传感器将成为可能。参考文献:1 孟宪伟,冉
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