1、納米生物傳感器研究進展及其應用納米生物傳感器的研究進展及其應用張雯歆【摘要】：隨著納米技術在生物傳感器領域的不斷引入,納米生物傳感器在靈敏度的提升,檢測限的降低,線性檢測范圍的拓寬以及響應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等生化領域檢測方面應用的研究進展進行簡單的概述.【關鍵詞】：納米材料生物傳感器應用AdvancesofResearchonapplicationofNano-materialsinbiosensors【Abstract:Withthedevelopmentofnanotechnology,th

2、euniquepropertiesofnano-materialsrealizeanobjectivetoimprovesensitivesensorwithawidelinearrange,ahighlyreproducibleresponse,long-termstabilityandsoon.Theapplicationofnano-materials(suchasnanoparticle,nanofiber,nanotube)inbiosensorfieldsintroduced.Thedevelopmentofthisfieldprospectedinthefuture.Keywor

3、ds:nano-materials;biosensors;application納米技術和生物技術是21世紀的兩大領先技術,在這兩者之間存在著許多技術交叉,其中,納米生物傳感技術已然引起了研究領域的廣泛關注.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與適當的理化換能器及信號放大裝置構成,具有接受器與轉換器的功能,從而能夠檢測多種生命和化學物質.納米技術主要是針對尺度為1nm100nm之間的分子世界的一門技術.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域,因此有著獨特的化學性質和物理性質,如外表效

4、應、微尺寸效應、量子效應和宏觀量子隧道效應等,呈現出常規材料不具備的優越性能.納米技術引入生物傳感器領域后,提升了生物傳感器的靈敏度和其它性能,并促發了新型的生物傳感器的開展.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用空間.本文就將對納米生物傳感器的有關進展與應用做一綜述.1 .納米顆粒生物傳感器1.1 酶傳感器酶傳感器是最早開展起來的生物傳感器.利用酶在生化反響種特殊的催化作用,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.反響過程中消耗或產生的化學物質即可用轉換器轉變為電信號記錄下來.1967年,UpdikeSJ和HicksG

5、P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,納米材料的飛速開展對酶傳感器的開展產生了極大的促進作用,各類納米酶生物傳感器不斷涌現.目前國際上已經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,以到達酶傳感器的完全實用化和商品化.將納米顆粒應用于酶傳感器,提升了傳感器的靈敏度,縮短了電流響應時間,增強了抗干擾水平等.國內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.結果說明：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

6、液中含有許多干擾物質,通過引入納米顆粒,還可以改善葡萄糖傳感器抗干擾性能.如路會再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-PtHNPs/CS/Au電極.該電極對于體內可能存在的抗壞血酸以及氯離子根本不受影響；重現性和穩定性較好.由于Cu-Pt中空合金納米顆粒的制備反響條件更加溫和,且本錢更低,制備Cu-PtHBNPs/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；重現性和穩定性較好.1.2 免疫傳感器免疫傳感器是由特異抗體與載體結合而成,其對特定的抗原分子具有選擇性的識別水平.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

7、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于普通界面,同時能夠使外表抗體分布均勻,提升其活性率,從而提升免疫傳感器的效率.LinYY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,實現了人類血清中前列腺特異性抗原的檢測.ZhangLY等人2將抗體固定在納米金/L一半胱氨酸電極上,開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,利用免疫夾心反響原理,采用示差脈沖伏安法檢測血清中乙肝外表抗原.Lin等1將納米金顆粒組裝在鈿-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

8、-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現抗體的檢測限為1.0ng/ml在2.0-20ng/ml內具有良好的線性關系.1.3 DNA傳感器DNA傳感器是一種伴隨著基因工程技術開展而開發出來的一種新型生物傳感器.納米粒子的特殊結構,使其具有其他材料無法比較的良好的光學和電學性質.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,可提升周載的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.張瑛消等利用銀納米粒子與DNA之間緊密的結合使之有很高的熒光猝滅效率的原理

9、來檢測核酸,對于完全互補和堿基錯配的DNA序列具有良好的區分水平.LiuSF10用電沉積法直接在金電極上制備納米金,采用循環伏安法表征了DNA的固定與雜交,發現DNA的固定與雜交量大大提升,靈敏度顯著改善.LuW等人11采用光電化學方法,利用納米金顆粒修飾以TiO2為襯底的DNA探針,實現了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,通過熒光信號為根底的免疫試驗,快速、準確地檢測出單個大腸桿菌0157:H7,該方

10、法甚至能開展到384孔微平板的多菌樣本高通量檢測.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射.基于其獨特的電學和光學性質,碳納米管對周圍的環境極其敏感,所以可以將其應用于化學傳感器.2.1 酶傳感器酶的結構復雜,活性中央通常包埋于酶內部,很難實現酶與電極間的直接電子轉移.碳納

11、米管具有良好的導電性、穩定性和生物兼容性,將酶固定到碳米管外表可以保持酶的生物活性,有效地促進酶與傳感器之間快速、直接的電子轉移,提升酶生物傳感器的檢測速度、穩定性和使用壽命.目前已經開展了多種葡萄糖氧化酶類傳感器應用于葡萄糖的檢測中,還可應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,通過電泳技術沉積在鈿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響速度快,靈敏度高,且12周后酶的存活性也依然非常高,是可能大規模商業化的生物傳感器之一.OdaciD等人12利用碳納米管修飾碳糊電極,制得了叱喃糖氧化酶傳感器,該傳感器可用于樣品酒中葡萄糖的測

12、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良性能相結合,通過化學吸附、共價聯接、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/箱碳電mwcnt(Multiple-Wall-Carbon-Nano-Tube/GlassyCarbon電極)可以應用于無標記雜交體的檢測,增強的鳥喋吟信號歸于提供的界面積累而并非電催化反響.鳥喋吟和腺喋吟氧化峰的增加,電極同樣可以通過其它研究來進行觀察,并應用于小牛胸DNA的無標記分析檢測.還有研究發現,絕緣MWCNT電極陣列的端基通過碳二

13、酰亞胺化學衍生與探針DNA連接,Ru(bpy)32+應用于目標分子鳥喋吟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說明,碳納米管與柯薩奇腺病毒(coxsackieadenovirus)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.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用逐漸增加.有研究說明CNT在免疫傳感中具有識別和傳導雙重作用,扮演了酶的攜帶以及酶反響抗原抗體識別釋放產物的積累.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

14、物.碳納米管還可用于檢測植物毒素.DrouvalakisKA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測微環境(如細胞、亞細胞結構)中各成分濃度的漸變以及其在空間的不均一性.KopelmanR等人2最早使用了熒光法的光纖納米傳感器,以檢測微環境中的pH值.KopelmanR等人又研制出局部生物性包埋的膠囊樣探針傳感器.DinhTV等人成功研制出用于檢測BPT(benzopyrenetetrol,一種與暴露于致癌物質苯并a在相關的DNA損

15、傷的生物標志物)的光纖納米免疫傳感器.GhanbariKH等人13采用電化學方法,利用聚叱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(0.051.0仙mol/L)和較低的檢測限(0.02Nmol/L).MarthaLW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、穩定性強、重復利用率高、響應時間短等優點.而且在過去的幾年中,另外開展了好幾種光學生物傳感器來進行各種生物相關種類的分析,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,還包括以酶為根底的用谷氨酸胺脫氫酶為受體間接

16、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注.量子點是納米尺寸(通常在220nm)的半導體納米微晶體,目前研究的重點在于如何對量子點外表進行有效的生化修飾.月中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,通過靶向分子與月中瘤細胞外表標志物分子結合,利用物理方法來測量傳感器中的磁信號、光信號等,可實現月中瘤的定位和顯象,有利于月中瘤的早期診斷.Sapsford等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合蛋白-

17、量子點結合子固定到玻片上.研究說明,這種自組裝法可以對量子點進行有效的外表修飾,表現出很強的特異性.Goldman等制備了不同發射波長的CdSe-ZnS-抗體結合物,采用夾心免疫檢測法,可以實現霍亂毒素、篦麻毒素、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的光學性能和自然的氧化層,易于制備,重復利用率高,因而成為傳感器的理想材料.利用它已經可以制作高靈敏、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.Wang等2報導了一種硅納米線場效應晶體管(FET)裝置,在酪氨酸蛋白激酶(Abl)的介導下,它能高度敏感,免標記地直接檢

18、測到ATP以及ATP的小分子阻斷劑(Gleevec),因此能成為藥物開發的一項技術平臺.Cui2Y等人用胺和羥基修飾攙硼硅納米導線,制作成納米pH計.PatolskyF等人2利用納米線場效應晶體管直接、實時地從樣本中檢測到單個流行性感冒病毒A顆粒.ChenWW等人2以熱蒸發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,制得超靈敏皮質醇探測傳感器.ZhangGJ等人2用脫氧硅納米線制得度量戍糖核酸一脫氧核糖核酸雜交的高靈敏傳感器,具檢測限可到達10fmol/L,同時,還可識別非互補序列.展望：納米生物技術

19、是國際生物技術領域的前沿和熱點問題,在生物傳感器領域中著廣泛的應用和明確的產業化前景.新型納米生物傳感器的各項性能指標(如,線性檢測范圍、響應時間、穩定性和檢測限等)都有所改善.但仍存在許多技術難題和挑戰,比方,納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.止匕外,納米生物技術的開展需要不同學術背景的研究者密切合作,通過概念、知識和技術上的互相交流來到達不斷創新、共同進步,比方,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的結合起來是納米技術開展的一個關鍵所在,并將使分子生物學開展到一個嶄新的水平.參考文獻1陳錦,劉仲

20、明,王捷.納米材料在生物傳感器中的應用J.醫療衛生裝備,2021,06(30):31-332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用J.傳感器與微系統,2021,28(5):4-73馮瑞華.國外納米生物傳感器研究新進展J.新材料產業,2021,05:65-674黃強,劉紅英,方賓.電化學DNA生物傳感器研究的應用進展J.化學進展,2021,21:1052-10595王麗江,陳松月,劉清君,王平.納米技術在生物傳感器及檢測中的應用N.傳感技術學報,2006,06(19):6唐明宇.國內無酶葡萄糖電化學傳感器研究進展J.廣東化工,2021,40(01):379-

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