纳米材料在生物传感器中的应用.docx

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纳米材料在生物传感器中的应用

纳米材料在生物传感器中的应用

07级化学化工与环境学院应用化学系焦珂200741602073158********

【摘要】在明确了纳米材料独特性质的基础上,阐述了纳米材料在压电、电化学、光学、磁性等生物传感器中的重要作

用重点介绍了纳米颗粒、纳米微管、纳米线、量子点、纳米纤维等纳米材料在生物传感器中的最新应用:

表明纳米材

料作为生物传感器的固定材料或载体.可以使生物传感器的灵敏度、检测范围、重复性得到明显增强,在生物传感器

的改良中具有重要的应用价值:

【关键词】纳米材料;生物传感器;应用

[中图分类号】TP2l2I3【文献标志码】A【文章编号】1003—8868（2009）06—0031—03

ApplicationofNano-materialsinBiosen~ors

CHENYu.UUZhong—ruingm,WANGJie

f1.MedicalLaboratory,GeneralHospitalofGuangzhouMilitaryAreaCommand,Guangzhou510010,China;2.Instituteof

BioseieneeandBioengineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510006,China）AbstractNano—materialsareimmenselyappliedinpiezoelectric,electrochemical,optical,magneticbiosensorsbasedon

clearlyuniquenatureofit.Theimportantroleofnauo—materialsinbiosensorsisexpoundedandthelatestapplicationof

novelfunctionalnano—materialsinbiosensorisintroducedemphatically.suchasnanoparticles,nanotubes,nanowires,

quantumdotsandnanofibers.Theresearchesmakeclearthatnano—materialscanprovidemomentousvalueinenhancing

performanceofbiosensors,suchassensitivity,detectionrange,andrepetitivenessofbiosensors,asimmobilizationmaterials

orcarriers.[ChineseMedicalEquipmentJoumal,2009,30（6）:

31-33】

Keywordsnano—materials;biosensors;application

生物传感器是换能器与敏感材料（生物活性分子）构成的传感装置,可以提供特殊的定量和半定量分析信息。

生物传感

器是一个非常活跃的研究和工程技术领域.是多学科交叉的产物,也是一种全新的检测技术。

与传统检测技术相比,生物

传感器技术具有高特异性和灵敏度、响应时间快的明显优势.但在敏感材料的有效固定、传感器再生方面仍存在一定问题。

纳米材料的独特性质,如尺寸效应、量子效应、表面效应和界面效应,使其在提高生物传感器性能上有着巨大的应用价值。

纳米材料的引入可以有效解决敏感材料的固定及再生问题.极大地提升了传统生物传感器的发展空间。

纳米颗粒、纳米微管、纳米线、量子点、纳米纤维等纳米材料优良的空间物理结构、化学惰性以及生物相容性可以大大提高生物传感器的灵敏度及稳定性,成为当前的热点研究领域。

1纳米金属颗粒

1.1用于压电生物传感器

将纳米金颗粒固定于固相表面形成纳米金膜来吸附固定生物材料,不仅可以保持生物材料的活性,还可以增加传感器的重复性。

Wu等【’I在石英晶片上通过l,6一己二硫醇包被上一层纳米金膜,将巯基修饰的日本血吸虫抗原组装到金膜上,再将辣根过氧化物酶标记的蛋白A与日本血吸虫抗体结合成“三明治”复合物,

抗体抗原反应催化底物HO,生成不溶产物沉积在石英晶体表面。

这种利用酶催化沉积质量放大的方法制备的超灵敏压电免疫传感器。

可以检测10—200ng/ml的抗体,最低检测限为5ng/ml。

这种纳米金膜不仅促进了不溶产物的沉积、界面电荷的传递.而且每次都可以为传感器提供一个全新的界面.保证抗原固定量.从而增加了传感器的重复性。

纳米颗粒常与其他材料联用.共同增加生物敏感材料的固定量.增强信号的输出。

Ding等[21在包被了半胱胺的石英晶片上修饰了一层羟基磷灰石与纳米金的混合物。

这种混合物具有良好的生物相容性和空间结构,高比表面积.优良的可溶性、分散性.有效地提高了甲胎蛋白抗体的固定量,并可为免疫反应提供合适的微环境。

组装了羟基磷灰石/纳米金的传感器信号比未加羟基磷灰石或纳米金的甲胎蛋白传感器信号明显增强。

1.2用于电化学生物传感器

纳米金属颗粒的高比表面积和表面自由能使葡萄糖氧化酶（GOD）牢固吸附在其表面,在一定程度上保证了GOD酶的稳定性和催化活性:

另外。

纳米金属颗粒本身就具有催化活性,在酶反应中,纳米颗粒迅速地从被还原的GOD（FADH2）获取电子.使GOD重新具有氧化性.加速了酶的再生速度。

因此,纳米金属颗粒常用于GOD传感器的构建。

Liu等[31将聚苯乙烯、聚苯胺和纳米金颗粒混合.固定在玻碳电极上。

该纳米境。

Lin等将纳米金颗粒组装在铟一锡电极的壳聚糖膜层上来吸附同定癌胚抗原,通过0一苯二胺一HO2-HRP电化学体系检测用辣根过氧化物酶标记的抗体含量。

研究发现,抗体的检测限为1.0ng/ml,在2.0~20ng/ml内具有良好的线性关系。

纳米金颗粒的高比表面积可以维持壳聚糖膜层的稳定性,并且由于纳米金的存在加快了电子传递过程,使得该传感器具有良好的稳定性和重复性。

1.3用于光学生物传感器

纳米金颗粒作为信号分子的放大形式,可用于等离子体光共振检测。

Uzawa等[51将该技术引入等离子体共振（SPR）.设

计了一种基于糖包被的纳米金探针.利用SPR装置检测蓖麻毒素。

这种纳米金增敏的纳米传感器在10~30min即可检测到浓度为3.3~1.7txg/ml的蓖麻毒素.可用于生物战剂的检测。

纳米金增效的SPR体系中.由金自组装化学合成的DNA芯片在批量生产中常出现重复性较低的现象。

Kim等161将干涉法与SPR相结合,使纳米金沉积在多孔阳极氧化铝芯片层上,形成高度有序的帽状（caplike）层,芯片表面的相对反射强度很大程度上取决于这一生物分子层的厚度。

这种形式的芯片可以微型化、批量生产,实现DNA的快速、小体积检测。

Sate等将聚二甲硅氧烷（PDMS）板和金薄膜沉积的玻璃基质结合.制成微通道芯片。

通过SPR技术,在高盐浓度下监控经纳米金颗粒修饰DNA沉积效果。

这种轻便的SPR装置的检测限可达32nm,在单核苷酸多态性的现场（point—of-care）检测中具有很好的应用前景。

纳米金属颗粒的应用易获得较高的信噪比.适于构建高密度微型化的DNA传感器阵列。

光学DNA传感器通过纳米颗粒修饰的DNA探针.识别并结合特定目的序列,导致发射光谱的蓝移.从而获得DNA杂交的相关信息。

纳米金颗粒作为一种新的荧光猝灭剂,广泛应用于光学生物传感器中特异DNA序列的检测[Sl。

寡核苷酸探针分子的末端分别用硫醇基和荧光激发基团修饰,自组装在纳米金颗粒表面。

探针由于碱基互补形成类弧形（arch—like）的构象,荧光激发基团接近纳米金颗粒,引起激发荧光猝灭;而当探针与特异性靶DNA结合后,其构象发生变化,纳米金颗粒和荧光激发基团远离,从而激发出荧光,可用于单碱基突变多态性检测。

1.4用于磁性生物传感器

磁性纳米颗粒作为磁性造影剂,通过巨磁阻抗传感器感应。

在生物医药磁成像中具有很好的应用前景。

常用的有磁赤铁矿（Fe2O）和磁铁矿（Fe3O4）纳米颗粒。

Blanc—B6guin等[91将大鼠前列腺癌细胞在体外与不同浓度的Fe20,纳米颗粒结合.通过磁阻抗传感器进行定量分析,考察细胞的生存情况,结果发现这种巨磁阻抗传感器在低磁场下仍具有很高的灵敏度,较低的功耗;在O.05mg/mlFeO纳米颗粒浓度下细胞具有最大的生存能力:

细胞在0.1mg/ml磁纳米颗粒浓度下培养24h.磁场的最佳频率为lMHz。

磁性纳米颗粒在生物检测和药物分析上具有重要的应用价值。

通过共聚反应或其他方法对磁性纳米颗粒表面进行功能化.结合分子识别技术,可以实现样品的分离与富集。

Zhang等_101在多孔的羟基磷灰石纳米颗粒中加入一Fe203,通过增加或撤离磁场来结合IgG或使传感器再生。

Guo等”在掺人了『Ru（bpy）12+的二氧化硅纳米颗粒中加入FeO,这种具有__复合物不仅可以显著提高GOD酶电极的响应灵敏度.还可以在酸性

（pH=1.0）或碱性（pH=9.0）环境下保持GOD的生物活性。

纳米金颗粒不仅可以有效增加电极的固定面积.其良好的生物兼容性还使过氧化物酶（HRP）保持原有的结构和电催

化活性,并为酶和电极之间的电子传递提供了最适宜的微环高饱和磁化强度获得的磁性纳米复合物可以高效固定在铟一

锡电极上。

2纳米量子点

量子点是纳米尺寸（通常在2~20nm）的半导体纳米微晶体,常制成核一壳一外涂层（core—shell—coating）结构,核为量子

点（如CdSe、CdS、CdTe）,决定量子点的发射波长:

壳为无机金属,决定量子点的亮度和光稳定性;外层为有机化合物,使量

子点能较容易地标记到生物材料上。

目前研究的重点在于如何对量子点表面进行有效的生化修饰。

Sapsford等【21采用单分

子层自组装法,在玻片上修饰一层中性亲和素单分子层。

通过生物素一亲和素的特异性识别.将生物素化的麦芽糖结合蛋

白一量子点结合子固定到玻片上。

研究表明,这种自组装法可以对量子点进行有效的表面修饰,表现出很强的特异性。

量子点的发射波长可以简单地通过调节其尺寸而改变,这种尺寸效应使其在多靶标方面具有明显优势。

Goldman等_l引制备了不同发射波长的CdSe—ZnS一抗体结合物,采用夹心免疫检测法.可以实现霍乱毒素、蓖麻毒素、类志贺毒素1以及葡萄球菌肠毒素B的同步检测

3纳米线

纳米线作为电子、光电子等纳米器件和装置的重要组成部分,成为当前纳米材料研究的一个热点。

目前报道的纳米线大多由金属（铅）或金属化合物（如砷化镓、氮化镓、氧化锌）、金属合金（铂一铅）及半导体体材料（如二氧化硅、二氧化钛）或半导体材料与其他材料的混合物（如镧铁共掺杂二氧化钛、氮掺杂二氧化钛）制成。

Bai等l1在多孑L聚碳酸盐模板上电沉积

铂一铅合金后.进行化学蚀刻制得铂一铅合金纳米线阵列。

该阵列可以有效提高葡萄糖生物传感器的灵敏度和选择件。

此研

究提示将铂一铅合金电极的优良稳定性和重复性、较高的响应特性与三维纳米结构阵列有效结合.构建的铂一铅合金纳米线

电极具有超导和高电催化活性.可以研究不同电位对葡萄糖和抗坏血酸检测的影响。

4纳米管

结合在单壁碳纳米管上的DNA杂交分子会引起碳纳米管吸收光谱有规则地红移。

Cao等I51将单壁碳纳米管和单链DNA结合制成的探针用于光学纳米生物传感器中,通过检测碳纳米管UV—vis—nlR吸收的光谱值来考察DNA杂交情况。

研究表明.纳米碳管作为探针的固定媒介和杂交信号的转换媒介.可以极大地提高DNA生物传感器的灵敏度。

碳纳米管作为催化剂的载体,可提高催化剂的