納米材料在生物傳感器中的應(yīng)用
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生物傳感器是目前生命科學(xué)及臨床醫(yī)學(xué)測(cè)試方法研究中最為活躍的領(lǐng)域之一，而納米材料則被認(rèn)為是跨世紀(jì)材料研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，有“21世紀(jì)最有前途的材料”的美譽(yù)，受到國(guó)內(nèi)外普遍重視，進(jìn)入21世紀(jì)后，納米材料和納米科技的迅猛發(fā)展為新型生物傳感器的研制提供了難得的機(jī)遇。納米生物傳感器是納米材料、納米科技與生物傳感器的融合，其研究涉及到生物技術(shù)、信息技術(shù)、納米科學(xué)、界面科學(xué)等多個(gè)重要領(lǐng)域，因而成為國(guó)際上的研究前沿和熱點(diǎn)。

一、生物傳感器

生物傳感器是一類特殊形式的傳感器，是一種對(duì)生物物質(zhì)敏感并將其轉(zhuǎn)換為聲、光、電等信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的儀器。生物傳感器具有接受器與轉(zhuǎn)換器的功能，由識(shí)別元件 (固定化的生物敏感材料，包括酶、抗體、抗原、微生物、細(xì)胞、組織、核酸等生物活性物質(zhì))、理化換能器 (如氧電極、光敏管、場(chǎng)效應(yīng)管、壓電晶體等) 和信號(hào)放大裝置構(gòu)成。生物傳感器技術(shù)是一個(gè)非?；钴S的工程技術(shù)研究領(lǐng)域，它與生物信息學(xué)、生物芯片、生物控制論、仿生學(xué)、生物計(jì)算機(jī)等學(xué)科一起處在生命科學(xué)和信息科學(xué)的交叉區(qū)域，是發(fā)展生物技術(shù)必不可少的一種先進(jìn)的檢測(cè)與監(jiān)控裝置。與傳統(tǒng)的分析方法相比, 具有以下特點(diǎn)：

1)體積小、響應(yīng)快、準(zhǔn)確度高，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)在線檢測(cè)；

2)一般不需進(jìn)行樣品的預(yù)處理，可將樣品中被測(cè)組分的分離和檢測(cè)統(tǒng)一為一體，使整個(gè)測(cè)定過(guò)程簡(jiǎn)便、迅速，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分析；

3)可進(jìn)行活體分析；
4)成本遠(yuǎn)低于大型分析儀器，便于推廣普及。

生物傳感器有許多種分類方式：

1)根據(jù)生物活性物質(zhì)的類別，生物傳感器可以分為酶?jìng)鞲衅?、免疫傳感器、DNA傳感器、細(xì)胞傳感器、組織傳感器和微生物傳感器等；

2)根據(jù)檢測(cè)原理，生物傳感器可分光學(xué)生物傳感器、電化學(xué)生物傳感器和壓電生物傳感器等；

3)按照生物敏感物質(zhì)相互作用的類型分類，可分為親和型和代謝型2種；

4)可根據(jù)所監(jiān)測(cè)的物理量、化學(xué)量或生物量而命名為熱傳感器、光傳感器和胰島素傳感器等。

生物傳感器的應(yīng)用，涉及到醫(yī)療保健、疾病診斷、食品檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、發(fā)酵工業(yè)等領(lǐng)域。

二、納米材料

納米材料具有小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)及宏觀量子隧道效應(yīng)等，使得其表現(xiàn)出奇異的化學(xué)物理性質(zhì)。納米粒子作為一種常用的納米材料，具有制備方法簡(jiǎn)單、尺寸可控、表面易于修飾、表征簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，在分析化學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

納米材料的特點(diǎn)與傳感器所要求的多功能、微型化、高速化相對(duì)應(yīng)。另外，作為傳感器材料，還要求功能廣、靈敏度高、響應(yīng)速度快、檢測(cè)范圍寬、選擇性好等優(yōu)點(diǎn)，納米材料能較好地符合上述要求。納米材料引入生物傳感器領(lǐng)域后，提高了生物傳感器的檢測(cè)性能，并促發(fā)了新型的生物傳感器。納米材料的獨(dú)特的化學(xué)和物理性質(zhì)使得其對(duì)生物分子或者細(xì)胞的檢測(cè)靈敏度大幅提高，檢測(cè)的反應(yīng)時(shí)間也得以縮短，并且可以實(shí)現(xiàn)高通量的實(shí)時(shí)檢測(cè)分析。其中納米金和磁性納米顆粒在生物傳感器中的應(yīng)用尤其受到關(guān)注。

1、金屬納米材料

金屬納米材料良好的電子傳遞性能使其成為電化學(xué)生物傳感器中最為常用的納米材料之一，其中尤以納米金的應(yīng)用最為廣泛。納米金制備簡(jiǎn)單、性狀穩(wěn)定、生物相容性良好，而且易于進(jìn)行表面化學(xué)修飾，因此，利用納米金與生物分子進(jìn)行組裝并介導(dǎo)電子傳遞，是構(gòu)建電化學(xué)生物傳感器的良好方案。

納米金在生物傳感器中的應(yīng)用，主要集中在利用納米粒子做探針載體、信號(hào)分子等方面。

1.1探針載體

納米金能迅速、穩(wěn)定地吸附核酸、蛋白質(zhì)等生物分子，而這些生物分子的生物活性幾乎不會(huì)發(fā)生改變，所以納米金具有優(yōu)良的生物相容性，可以作為生物分子的載體。

1.2信號(hào)分子

納米金能廣泛地應(yīng)用于DNA、抗體和抗原等生物物質(zhì)的標(biāo)記，使得納米金與生物活性分子結(jié)合后形成的探針可用于生物體系的檢測(cè)中，納米金在可見區(qū)有特征等離子體共振吸收，其吸收峰的等離子共振常隨著尺寸的變化而發(fā)生頻移，其溶液的顏色從橘紅色到紫紅色發(fā)生相應(yīng)變化，有利于肉眼觀察。

用納米金不僅可以作為光學(xué)標(biāo)記，同時(shí)還可以作為很好的電學(xué)標(biāo)記。金本身是非常優(yōu)良的導(dǎo)電材料，具有優(yōu)異的電化學(xué)性質(zhì)，可作為電化學(xué)傳感器的指示劑。用納米金作為信號(hào)分子能顯著提高電化學(xué)傳感器的檢測(cè)靈敏度，而且這種方法儀器簡(jiǎn)單、無(wú)污染、檢測(cè)穩(wěn)定可靠、靈敏度高。

納米金顆粒有著優(yōu)異的化學(xué)和物理性能，有著極高的比表面積，有利于提高生物分子的吸附能力，并能提高生化反應(yīng)的速度，因此被廣泛用于生物分析。納米金的優(yōu)異性能使得其在生物醫(yī)學(xué)、分子生物學(xué)等生物標(biāo)記分析領(lǐng)域中具有廣泛而重要的應(yīng)用。

2、碳納米管

自從1991年首次被報(bào)道以來(lái)，碳納米管（carbonnanotubes，CNTs）可以說(shuō)是被研究得最多的納米材料。與納米金一樣，CNTs同樣也具備極好的電子傳遞能力、蛋白質(zhì)的高負(fù)載能力以及良好的生物相容性，而且，由于 CNTs 本身的物質(zhì)基礎(chǔ)就是碳，因此其功能化將更為方便和多樣。此外，由于CNTs為一維納米材料，意味著CNTs在電極表面的組裝將呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)狀。

碳納米管有著優(yōu)異的表面化學(xué)性能和良好的電學(xué)性能，是制作生物傳感器的理想材料。無(wú)論是單壁碳納米管還是多壁碳納米管在生物傳感器中都有應(yīng)用，如利用碳納米管改善生物分子的氧化還原可逆性、利用碳納米管降低氧化還原反應(yīng)的過(guò)電位、利用碳納米管固定化酶、利用碳納米管進(jìn)行直接電子傳遞、用于藥物傳遞和細(xì)胞病理學(xué)的研究等。碳納米管還適用于做原子力顯微鏡的探針尖，在碳納米管頂端修飾上酸性基團(tuán)或堿性基團(tuán)，就可以作為原子力顯微鏡針尖來(lái)滴定酸性或堿性基團(tuán)。納米管羧基化后可以進(jìn)一步衍生化，實(shí)現(xiàn)與酶、抗原/抗體和脫氧核糖核酸（DNA）等分子的結(jié)合，制備出各種生物傳感器。

需要提出的是，由于CNTs難以具備納米金那樣良好的形態(tài)分布，因此對(duì)有序的表面組裝提出了挑戰(zhàn)。另外，大多數(shù)蛋白質(zhì)的尺寸都屬于零維的納米級(jí)，因此在一維的CNTs表面組裝相對(duì)而言缺少靈活性。出于這些考慮，將CNTs與零維的納米顆粒，如納米金、納米鉑等聯(lián)合運(yùn)用，在一定程度上可以克服兩者在某些方面的缺陷，因而也是傳感器構(gòu)建中的良好策略。

3、納米氧化物

除了具備納米材料共有的一些性質(zhì)外，納米氧化物還依材料的不同具備一些特殊的效應(yīng)，比如納米Fe3O4的磁效應(yīng)。納米TiO2的光電效應(yīng)等，而這些效應(yīng)在新型生物傳感器的構(gòu)建中可以產(chǎn)生一些意想不到的效果。納米 TiO2 是另一種具有特殊效應(yīng)、光電效應(yīng)的納米材料，由于具有極強(qiáng)的紫外線屏蔽能力和很高的表面活性，納米TiO2已經(jīng)被大量用于污水處理消毒殺菌，以及在化妝品和涂料中防紫外線侵蝕。

納米 TiO2 是一種在光化學(xué)和生物化學(xué)領(lǐng)域中非常有發(fā)展前途的納米材料，其優(yōu)良的生物相容性易于吸附生物分子的特性及良好的化學(xué)反應(yīng)活性已在生物傳感領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

磁性納米顆粒是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型材料 ,因磁性納米粒子具有特殊的超順磁性 ,因而在聚磁電阻、磁記錄、軟磁、永磁和巨磁阻抗材料等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。磁性納米材料還可結(jié)合各種功能分子，如酶、抗體、細(xì)胞、DNA或RNA等，使其在核酸分析、臨床診斷、靶向藥物、細(xì)胞分離和酶的固定化等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用研究。在生物傳感器領(lǐng)域 ,磁性納米顆粒的應(yīng)用為生物傳感器開辟了廣闊的前景，磁性納米顆粒能顯著提高生物傳感器檢測(cè)的靈敏度，實(shí)現(xiàn)生物分子的分離，提高了檢測(cè)的通量。

磁性納米顆粒在生物傳感器中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在生物活性物質(zhì)的固定、分離和檢測(cè)。

3.1生物活性物質(zhì)的固定

磁性納米顆粒的表面可很容易地包埋生物高分子，如多聚糖，蛋白質(zhì)等形成核殼式結(jié)構(gòu)。因此磁性納米顆粒可應(yīng)用于酶、抗體、寡核苷酸和其他生物活性物質(zhì)的固定。

3.2生物物質(zhì)的分離

在磁性分離中，針對(duì)所要進(jìn)行分離的生物物質(zhì)如蛋白質(zhì)、DNA序列、細(xì)胞、底物、抗原的特征，在超順磁性的納米粒子(如 5～100 nm的 Fe3O4 )的表面上修飾上各種氨基、羥基、羧基、巰基等功能基團(tuán)。經(jīng)修飾后的磁性納米粒子加入混合物后，能快速將靶向目標(biāo)物結(jié)合到磁性顆粒表面，在外加磁場(chǎng)作用下，能被磁場(chǎng)吸引，與其他的物質(zhì)分離。當(dāng)撤去磁場(chǎng)后,磁性顆粒又可很快地均勻分散在溶液中。

3.3生物活性物質(zhì)的檢測(cè)

磁性納米在實(shí)現(xiàn)生物分子的快速、實(shí)時(shí)和高通量檢測(cè)方面有著廣泛的應(yīng)用前景。

4、量子點(diǎn)

量子點(diǎn)作為熒光標(biāo)記物，已經(jīng)被廣泛用于熒光示蹤，以金屬硫/硒/碲化物 Zn/Cd/Pb-S/Se/Te等為代表的量子點(diǎn)，一方面是很好的生物標(biāo)記材料，另一方面，其中的金屬離子 Zn2+、Cd2+、Pb2+可用于陽(yáng)極溶出伏安法檢測(cè)，從而提供電化學(xué)信號(hào)。

近來(lái)，量子點(diǎn)用于生物傳感器的研究備受關(guān)注。量子點(diǎn)是顯示量子尺寸效應(yīng)的半導(dǎo)體納米微晶體，其尺寸小于相應(yīng)體相半導(dǎo)體的波爾直徑，通常在2～20nm。量子點(diǎn)可用于細(xì)胞內(nèi)的檢測(cè)，相比于傳統(tǒng)的熒光分子，量子點(diǎn)有3個(gè)主要的優(yōu)點(diǎn)：量子點(diǎn)的發(fā)光波長(zhǎng)可以簡(jiǎn)單地通過(guò)調(diào)節(jié)其直徑大小而改變，這對(duì)應(yīng)用非常重要；另外，量子點(diǎn)的發(fā)光波長(zhǎng)比較窄，效率較高；更為重要的是，量子點(diǎn)沒有光漂白效應(yīng)。這3個(gè)優(yōu)點(diǎn)使量子點(diǎn)在生物分子探針和生物傳感器領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。目前關(guān)鍵的問(wèn)題在于如何對(duì)量子點(diǎn)表面進(jìn)行有效的生化修飾,印度中央食品技術(shù)研究所研究人員利用碲化鎘（CdTe）量子點(diǎn)制備出的生物熒光探針，可用于食品、環(huán)境等目標(biāo)分析物的高靈敏檢測(cè)。

5、復(fù)合納米材料

不同的納米材料各自具備一定的特性，在電化學(xué)生物傳感器的設(shè)計(jì)中使用單一的材料 難以充分發(fā)揮納米材料的性能，因此，同時(shí)使用多種納米材料成為一個(gè)解決方案。一種思 路是首先合成兩種或多種納米材料，然后在傳感器的構(gòu)建中同時(shí)或在不同階段分別運(yùn)用；另一種思路則是在納米材料的合成階段將不同的材料進(jìn)行組裝，即合成復(fù)合納米材料，將不同納米材料的特性整合到一個(gè)納米復(fù)合體中。一個(gè)很好的例子是CNTs與金屬納米顆粒復(fù)合的材料，另一個(gè)例子則是合成核/殼結(jié)構(gòu)的納米顆粒，而且這種做法目前更為常見。

6、納米光纖

隨著納米光纖探針和納米敏感材料技術(shù)逐步成熟，運(yùn)用納米光纖探針和納米級(jí)識(shí)別元件檢測(cè)微環(huán)境中的生物、化學(xué)物質(zhì)已成為可能，運(yùn)用這種高度局部化的分析方法，能夠監(jiān)測(cè)細(xì)胞、亞細(xì)胞等微環(huán)境中各成分濃度的漸變以及空間分布。光纖納米生物傳感器主要有光纖納米熒光生物傳感器、光纖納米免疫傳感器等，具有體積微小、靈敏度高、不受電磁場(chǎng)干擾、不需要參比器件等優(yōu)點(diǎn)。

6.1光纖納米熒光生物傳感器

一些蛋白質(zhì)類生物物質(zhì)自身能發(fā)熒光，另一些本身不能發(fā)熒光的生物物質(zhì)可以通過(guò)標(biāo)記或修飾使其發(fā)熒光，基于此，可構(gòu)成將感受的生物物質(zhì)的量轉(zhuǎn)換成輸出信號(hào)的熒光生物傳感器。熒光生物傳感器測(cè)量的熒光信號(hào)可以使熒光猝滅，也可以使熒光增強(qiáng)可測(cè)量熒光壽命，也可測(cè)量熒光能量轉(zhuǎn)移。光纖納米熒光生物傳感器具有熒光分析特異性強(qiáng)、敏感度高、無(wú)需用參比電極、使用簡(jiǎn)便、體積微小等諸多優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

6.2光纖納米免疫傳感器
免疫傳感器是指用于檢測(cè)抗原抗體反應(yīng)的傳感器，根據(jù)標(biāo)記與否，可分為直接免疫傳感器和間接免疫傳感器；根據(jù)換能器種類的不同，又可分為電化學(xué)免疫傳感器、光學(xué)免疫傳感器、質(zhì)量測(cè)量式免疫傳感器、熱量測(cè)量式免疫傳感器等。光學(xué)免疫傳感器是將光學(xué)與光子學(xué)技術(shù)應(yīng)用于免疫法，利用抗原抗體特異性結(jié)合的性質(zhì)，將感受到的抗原量或抗體量轉(zhuǎn)換成可用光學(xué)輸出信號(hào)的一類傳感器，這類傳感器將傳統(tǒng)免疫測(cè)試法與光學(xué)、生物傳感技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)集于一身，使其鑒定物質(zhì)具有很高的特異性、敏感性和穩(wěn)定性。而光纖納米免疫傳感器是在光學(xué)免疫傳感器基礎(chǔ)上將敏感部制成納米級(jí)，既保留了光學(xué)免疫傳感器的諸多優(yōu)點(diǎn)，又使之能適用于單個(gè)細(xì)胞的測(cè)量。

三、結(jié)語(yǔ)
隨著納米技術(shù)和生物傳感器交叉融合的發(fā)展，涌現(xiàn)出越來(lái)越多的新型納米生物傳感器，如量子點(diǎn)、DNA、寡核苷配體等納米生物傳感器。這些生物傳感器的最顯著特點(diǎn)是快速、準(zhǔn)確、靈敏，集多功能、便攜式、一次性于一身，不僅可以檢測(cè)細(xì)菌、病毒、蛋白質(zhì)、酶、血糖、有毒有害小分子物質(zhì)、重金屬離子等，甚至該還探尋到原子、分子內(nèi)部（包括細(xì)胞內(nèi)）進(jìn)行實(shí)時(shí)單分子水平分析。但未來(lái)的新一代納米生物傳感器也面臨著諸多挑戰(zhàn)，如更高靈敏度、特異性、生物相容性、集成多種技術(shù)、檢測(cè)方法簡(jiǎn)化、制備工藝、批量化生產(chǎn)、成本效益等。納米生物傳感器陣列或多種納米生物傳感器的集成，是生物傳感器的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。分子自組裝加工工藝簡(jiǎn)單可控，可以實(shí)現(xiàn)快速?gòu)?fù)制，而且成本較低，對(duì)生物傳感器的發(fā)展有很重要的促進(jìn)作用，有利于高靈敏度、低成本、一次性納米生物傳感器的發(fā)展。而生物分子自組裝技術(shù)更值得關(guān)注，具有天然的生物兼容性、優(yōu)異的結(jié)合性能，是生物傳感器發(fā)展的一個(gè)新領(lǐng)域。納米生物傳感器未來(lái)可廣泛滿足各種醫(yī)療診斷、藥物發(fā)現(xiàn)、病原體檢測(cè)、食品檢測(cè)、環(huán)境檢測(cè)、生物反恐和國(guó)家安全防御方面的需要，未來(lái)完全有可能替代當(dāng)前的一些分析方法，并很可能成為生命科學(xué)分析的標(biāo)準(zhǔn)方法。