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

生物传感器是目前生命科学及临床医学测试方法研究中最为活跃的领域之一，而纳米材料则被认为是跨世纪材料研究领域的热点，有“21 世纪最有前途的材料”的美誉，受到国内外普遍重视，进入21世纪后，纳米科技的迅猛发展为新型生物传感器的研制提供了难得的机遇。纳米生物传感器是纳米科技与生物传感器的融合，其研究涉及到生物技术、信息技术、纳米科学、界面科学等多个重要领域，因而成为国际上的研究前沿和热点。

一、生物传感器

生物传感器是一类特殊形式的传感器，是一种对生物物质敏感并将其转换为声、光、电等信号进行检测的仪器。生物传感器具有接受器与转换器的功能，由识别元件(固定化的生物敏感材料，包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质)、理化换能器(如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等) 和信号放大装置构成。生物传感器技术是一个非常活跃的工程技术研究领域，它与生物信息学、生物芯片、生物控制论、仿生学、生物计算机等学科一起处在生命科学和信息科学的交叉区域，是发展生物技术必不可少的一种先进的检测与监控装置。与传统的分析方法相比, 具有以下特点：1)体积小、响应快、准确度高，可以实现连续在线检测；2)一般不需进行样品的预处理，可将样品中被测组分的分离和检测统一为一体，使整个测定过程简便、迅速，容易实现自动分析；3)可进行活体分析；

4)成本远低于大型分析仪器，便于推广普及。

生物传感器有许多种分类方式：1)根据生物活性物质的类别，生物传感器可以分为酶传感器、免疫传感器、DNA传感器、细胞传感器、组织传感器和微生物传感器等；2)根据检测原理，生物传感器可分光学生物传感器、电化学生物传感器和压电生物传感器等；3)按照生物敏感物质相互作用的类型分类，可分为亲和型和代谢型2种；4)可根据所监测的物理量、化学量或生物量而命名为热传感器、光传感器和胰岛素传感器等。

生物传感器的应用，涉及到医疗保健、疾病诊断、食品检测、环境监测、发酵工业等领域。

二、纳米材料

纳米材料具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应等，使得其表现出奇异的化学物理性质。纳米粒子作为一种常用的纳米材料，具有制备方法简单、尺寸可控、表面易于修饰、表征简便等优点，在分析化学领域得到了广泛的应用。

纳米材料的特点与传感器所要求的多功能、微型化、高速化相对应。另外，作为传感器材料，还要求功能广、灵敏度高、响应速度快、检测范围宽、选择性好等优点，纳米材料能较好地符合上述要求。纳米材料引入生物传感器领域后，提高了生物传感器的检测性能，并促发了新型的生物传感器。纳米材料的独特的化学和物理性质使得其对生物分子或者细胞的检测灵敏度大幅提高，检测的反应时间也得以缩短，并且可以实现高通量的实时检测分析。

其中纳米金和磁性纳米颗粒在生物传感器中的应用尤其受到关注。

1、金属纳米材料

金属纳米材料良好的电子传递性能使其成为电化学生物传感器中最为常用的纳米材料之一，其中尤以纳米金的应用最为广泛。纳米金制备简单、性状稳定、生物相容性良好，而且易于进行表面化学修饰，因此，利用纳米金与生物分子进行组装并介导电子传递，是构建电化学生物传感器的良好方案。

纳米金在生物传感器中的应用，主要集中在利用纳米粒子做探针载体、信号分子等方面。

1.1探针载体

纳米金能迅速、稳定地吸附核酸、蛋白质等生物分子，而这些生物分子的生物活性几乎不会发生改变，所以纳米金具有优良的生物相容性，可以作为生物分子的载体。

1.2信号分子

纳米金能广泛地应用于DNA、抗体和抗原等生物物质的标记，使得纳米金与生物活性分子结合后形成的探针可用于生物体系的检测中，纳米金在可见区有特征等离子体共振吸收，其吸收峰的等离子共振常随着尺寸的变化而发生频移，其溶液的颜色从橘红色到紫红色发生相应变化，有利于肉眼观察。

用纳米金不仅可以作为光学标记，同时还可以作为很好的电学标记。金本身是非常优良的导电材料，具有优异的电化学性质，可作为电化学传感器的指示剂。用纳米金作为信号分子能显著提高电化学传感器的检测灵敏度，而且这种方法仪器简单、无污染、检测稳定可靠、灵敏度高。

纳米金颗粒有着优异的化学和物理性能，有着极高的比表面积，有利于提高生物分子的吸附能力，并能提高生化反应的速度，因此被广泛用于生物分析。纳米金的优异性能使得其在生物医学、分子生物学等生物标记分析领域中具有广泛而重要的应用。

2、碳纳米管

自从1991年首次被报道以来，碳纳米管（carbonnanotubes，CNTs）可以说是被研究得最多的纳米材料。与纳米金一样，CNTs同样也具备极好的电子传递能力、蛋白质的高负载能力以及良好的生物相容性，而且，由于CNTs 本身的物质基础就是碳，因此其功能化将更为方便和多样。此外，由于CNTs为一维纳米材料，意味着CNTs在电极表面的组装将呈现网络状。

碳纳米管有着优异的表面化学性能和良好的电学性能，是制作生物传感器的理想材料。无论是单壁碳纳米管还是多壁碳纳米管在生物传感器中都有应用，如利用碳纳米管改善生物分子的氧化还原可逆性、利用碳纳米管降低氧化还原反应的过电位、利用碳纳米管固定化酶、利用碳纳米管进行直接电子传递、用于药物传递和细胞病理学的研究等。碳纳米管还适用于做原子力显微镜的探针尖，在碳纳米管顶端修饰上酸性基团或碱性基团，就可以作为原子力显微镜针尖来滴定酸性或碱性基团。纳米管羧基化后可以进一步衍生化，实现与酶、抗原/抗体和脱氧核糖核酸（DNA）等分子的结合，制备出各种生物传感器。

需要提出的是，由于CNTs难以具备纳米金那样良好的形态分布，因此对有序的表面组

装提出了挑战。另外，大多数蛋白质的尺寸都属于零维的纳米级，因此在一维的CNTs表面组装相对而言缺少灵活性。出于这些考虑，将CNTs与零维的纳米颗粒，如纳米金、纳米铂等联合运用，在一定程度上可以克服两者在某些方面的缺陷，因而也是传感器构建中的良好策略。

3、纳米氧化物

除了具备纳米材料共有的一些性质外，纳米氧化物还依材料的不同具备一些特殊的效应，比如纳米Fe3O4的磁效应。纳米TiO2的光电效应等，而这些效应在新型生物传感器的构建中可以产生一些意想不到的效果。纳米TiO2 是另一种具有特殊效应、光电效应的纳米材料，由于具有极强的紫外线屏蔽能力和很高的表面活性，纳米TiO2已经被大量用于污水处理消毒杀菌，以及在化妆品和涂料中防紫外线侵蚀。

纳米TiO2 是一种在光化学和生物化学领域中非常有发展前途的纳米材料，其优良的生物相容性易于吸附生物分子的特性及良好的化学反应活性已在生物传感领域得到广泛应用。

磁性纳米颗粒是近年来发展起来的一种新型材料,因磁性纳米粒子具有特殊的超顺磁性,因而在聚磁电阻、磁记录、软磁、永磁和巨磁阻抗材料等方面具有广阔的应用前景。磁性纳米材料还可结合各种功能分子，如酶、抗体、细胞、DNA或RNA等，使其在核酸分析、临床诊断、靶向药物、细胞分离和酶的固定化等领域有着广泛的应用研究。在生物传感器领域,磁性纳米颗粒的应用为生物传感器开辟了广阔的前景，磁性纳米颗粒能显著提高生物传感器检测的灵敏度，实现生物分子的分离，提高了检测的通量。

磁性纳米颗粒在生物传感器中的应用主要体现在生物活性物质的固定、分离和检测。1.1生物活性物质的固定

磁性纳米颗粒的表面可很容易地包埋生物高分子，如多聚糖，蛋白质等形成核壳式结构。因此磁性纳米颗粒可应用于酶、抗体、寡核苷酸和其他生物活性物质的固定。

1.2生物物质的分离

在磁性分离中，针对所要进行分离的生物物质如蛋白质、DNA序列、细胞、底物、抗原的特征，在超顺磁性的纳米粒子(如5～100 nm的Fe3O4 )的表面上修饰上各种氨基、羟基、羧基、巯基等功能基团。经修饰后的磁性纳米粒子加入混合物后，能快速将靶向目标物结合到磁性颗粒表面，在外加磁场作用下，能被磁场吸引，与其他的物质分离。当撤去磁场后,磁性颗粒又可很快地均匀分散在溶液中。

1.3生物活性物质的检测

磁性纳米在实现生物分子的快速、实时和高通量检测方面有着广泛的应用前景。

4、量子点

量子点作为荧光标记物，已经被广泛用于荧光示踪，以金属硫/硒/碲化物Zn/Cd/Pb-S/Se/Te 等为代表的量子点，一方面是很好的生物标记材料，另一方面，其中的金属离子Zn2+、Cd2+、Pb2+可用于阳极溶出伏安法检测，从而提供电化学信号。

近来，量子点用于生物传感器的研究备受关注。量子点是显示量子尺寸效应的半导体纳米微晶体，其尺寸小于相应体相半导体的波尔直径，通常在2～20nm。量子点可用于细胞内

的检测，相比于传统的荧光分子，量子点有3个主要的优点：量子点的发光波长可以简单地通过调节其直径大小而改变，这对应用非常重要；另外，量子点的发光波长比较窄，效率较高；更为重要的是，量子点没有光漂白效应。这3个优点使量子点在生物分子探针和生物传感器领域具有巨大的应用潜力。目前关键的问题在于如何对量子点表面进行有效的生化修饰,印度中央食品技术研究所研究人员利用碲化镉（CdTe）量子点制备出的生物荧光探针，可用于食品、环境等目标分析物的高灵敏检测。

5、复合纳米材料

不同的纳米材料各自具备一定的特性，在电化学生物传感器的设计中使用单一的材料

难以充分发挥纳米材料的性能，因此，同时使用多种纳米材料成为一个解决方案。一种思路是首先合成两种或多种纳米材料，然后在传感器的构建中同时或在不同阶段分别运用；另一种思路则是在纳米材料的合成阶段将不同的材料进行组装，即合成复合纳米材料，将不同纳米材料的特性整合到一个纳米复合体中。一个很好的例子是CNTs与金属纳米颗粒复合的材料，另一个例子则是合成核/壳结构的纳米颗粒，而且这种做法目前更为常见。

6、纳米光纤

随着纳米光纤探针和纳米敏感材料技术逐步成熟，运用纳米光纤探针和纳米级识别元件检测微环境中的生物、化学物质已成为可能，运用这种高度局部化的分析方法，能够监测细胞、亚细胞等微环境中各成分浓度的渐变以及空间分布。光纤纳米生物传感器主要有光纤纳米荧光生物传感器、光纤纳米免疫传感器等，具有体积微小、灵敏度高、不受电磁场干扰、不需要参比器件等优点。

6.1光纤纳米荧光生物传感器

一些蛋白质类生物物质自身能发荧光，另一些本身不能发荧光的生物物质可以通过标记或修饰使其发荧光，基于此，可构成将感受的生物物质的量转换成输出信号的荧光生物传感器。荧光生物传感器测量的荧光信号可以使荧光猝灭，也可以使荧光增强可测量荧光寿命，也可测量荧光能量转移。光纤纳米荧光生物传感器具有荧光分析特异性强、敏感度高、无需用参比电极、使用简便、体积微小等诸多优点，具有广泛的应用前景。

6.2光纤纳米免疫传感器

免疫传感器是指用于检测抗原抗体反应的传感器，根据标记与否，可分为直接免疫传感器和间接免疫传感器；根据换能器种类的不同，又可分为电化学免疫传感器、光学免疫传感器、质量测量式免疫传感器、热量测量式免疫传感器等。光学免疫传感器是将光学与光子学技术应用于免疫法，利用抗原抗体特异性结合的性质，将感受到的抗原量或抗体量转换成可用光学输出信号的一类传感器，这类传感器将传统免疫测试法与光学、生物传感技术的优点集于一身，使其鉴定物质具有很高的特异性、敏感性和稳定性。而光纤纳米免疫传感器是在光学免疫传感器基础上将敏感部制成纳米级，既保留了光学免疫传感器的诸多优点，又使之能适用于单个细胞的测量。

四、结语

随着纳米技术和生物传感器交叉融合的发展，涌现出越来越多的新型纳米生物传感器，如量子点、DNA、寡核苷配体等纳米生物传感器。这些生物传感器的最显著特点是快速、准确、灵敏，集多功能、便携式、一次性于一身，不仅可以检测细菌、病毒、蛋白质、酶、血糖、有毒有害小分子物质、重金属离子等，甚至该还探寻到原子、分子内部（包括细胞内）进行实时单分子水平分析。但未来的新一代纳米生物传感器也面临着诸多挑战，如更高灵敏度、特异性、生物相容性、集成多种技术、检测方法简化、制备工艺、批量化生产、成本效益等。纳米生物传感器阵列或多种纳米生物传感器的集成，是生物传感器的一个重要发展趋势。分子自组装加工工艺简单可控，可以实现快速复制，而且成本较低，对生物传感器的发展有很重要的促进作用，有利于高灵敏度、低成本、一次性纳米生物传感器的发展。而生物分子自组装技术更值得关注，具有天然的生物兼容性、优异的结合性能，是生物传感器发展的一个新领域。纳米生物传感器未来可广泛满足各种医疗诊断、药物发现、病原体检测、食品检测、环境检测、生物反恐和国家安全防御方面的需要，未来完全有可能替代当前的一些分析方法，并很可能成为生命科学分析的标准方法。