纳米光学生物传感器的实验研究

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近十年
研究问题
研究目标
时间范围
地域范围
事件背景
国内外 高速发展的科学领域、 现代科学的前沿
表 二、建立背景知识 纳米光学生物传感器 信息问题 包含的主题概念 纳米传感器、光学传感 器、生物传感器、 Biosensor、 Nanosensors、 Optical sensor
表 三、拟定主题概念 研究问题 纳米光学生物传感器的实验研究 主题概念 纳米光学生物传感器 主题词 传感器、实验研究、sensor、 sensors、experimental study 检索词 纳米传感器、光学传感器、生物 传感器、实验研究、biosensor、 nanosensors、optical sensor、 experimental study 扩展词 传感器、发展前景、sensors、 sensor、 prospect、prospects
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（4） 对光纤化学和生物传感器进 了系统的理论研究
行
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首次提出了双波长技术的荧光传感器，建立起了这类传感器的响 应理论。这一理论被国内外所有光导纤维传感器专著引用，被评 论为“双波长荧光传感器的诞生”和“理论上奠定了光纤荧光传 感器的基础”；提出了基于光吸收的光纤传感器。首次提出一配 合物形成模式作为分子识别系统的金属离子光纤传感器，建立金 属离子荧光、吸收、反射传感器的设计原理，这已成为离子光纤 传感器的经典理论；把离子对萃取原理，应用于光纤传感器的设 计中，完成了高灵敏、高选择性的钠离子、钾离子光纤传感器。 系统地建立了各类光纤传感器的响应理论模式，这些理论已被作 为经典理论被国内外学者接受，并已载入国内外有关专著中。当 前，在对光导纤维生物传感器的分子识别反应和多维信息换能系 统进行研究的基础上，研究无损在体和微量离体检测用新型光纤 生物传感器，建立活体组织、人体体液、细胞等的高灵敏快速分 析技术及其在体药代动力学分析方法，从而能快速、精确地反映 活体组织及体液的变化，以适应临床快速诊断的要求。
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前景展望
纳米技术在生物传感器的发展中正在发挥着非常重要的作用。由于纳米材 料的特殊结构，使得它们可以提高生物传感器的灵敏性和响应效能。纳米 材料的使用也引入了许多新的应用于生物传感器的信号转换技术。纳米技 术在生物传感器的发展趋势是集成多功能、便携式、一次性的快速检测分 析机器，可广泛用于食品、环境、战场、人体疾病等领域的快速检测，如 食品和饮料中病原体或者农药残留成分的快速灵敏检测，环境中污染气体 或者污染金属离子等远程检测和控制，人体血液成分和病原体的快速实时 检测，人体健康的长期监测（如糖尿病患者血液中糖成分的长期监测等）， 以及战场生化武器的快速检测（如对炭疽病毒的检测等）。多种生物传感 器的集成或者生物传感器阵列是生物传感器发展的另一个趋势，例如微电 极阵列对二维微环境的检测等。分子自组装聚合物加工的研究呈上升趋势， 其加工工艺简单可控，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、一次性的纳米生 物传感器的发展。其中生物分子自组装技术更引人注目，如有机生物膜制 作的纳米胶囊，由于其天然的生物兼容性、优异的特异结合性能，是生物 传感器发展的另一个全新领域。
（5）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， 这类传感器将传统的免疫测试法与光学、生物传感技术的优点集 为一身，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其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。
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（3） 近场光学和纳米粒子生物传 感器
传统的光学显微技术在细胞生物学和分子生物学研究中应用很 广，也能够用于分析活细胞，但分辨能力被Abbe衍射作用所 限制，其理论分辨率最高为0.2m，放大倍数最高也只能达到 1600倍。而近场光学显微镜和近场光学传感器是近年发展起 来的一个新的技术，可以大幅度地提高显微镜的分辨率和放大 倍数。我们实验室组装了一台近场光学显微镜，其分辨率为12nm，放大倍数从1600倍提高到25000倍，能更清晰地显示活 细胞内被检测成分的分布、含量及其动态变化。检测器为 ICCD和雪崩金属光电倍增管（AMPMT）两种，并能同时进 行数字显示、计算机处理和模拟显示，能够动态检测活细胞内 物质代谢、能量代谢及信息传递过程并进行全程录像。
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（6）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可用于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是荧光猝灭，也可以是荧光增强；可测 量荧光寿命，也可以测量荧光能量转移。光纤纳米荧光生物传感器 具有荧光分析特异性强，敏感度高等优点，而且无需用参比电极， 使用简便、体积微小等诸多优点，具有广泛的应用前景。美国杰克 逊州立大学的研究人员制备出基于金纳米粒子的、小型化的、超灵 敏的、激光诱导荧光光纤生物传感器，用来检测DNA分子。荧光信 号的出现表明目标DNA已检测到，并且几个病原体也可同时检测到。 这种便携式传感器在所有重要类别的DNA检测中――灵敏度、选择性、 成本、易用性和速度――可得到较好的结果。
纳米光学生物传感器的 实验研究
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信息检索实质是信息问题 解决，信息检索的一般步 骤也应是一个问题解决的 过程。
五步走
分析和利用信息 评价信息 制定策略并实施检索
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界定问题
界定问题
１.分析研究问题 ２.建立背景知识 ３.拟定主题概念
表 一、分析研究问题 纳米光学生物传感器 的实验研究 研究方法及发展前景
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(2) 光学传感器在纳米材料生物环境安 全性研究中的应用
纳米生物环境效应研究，是一个典型的综合性强的交叉学科领域， 需要各个领域的研究者的共同参与，才能有效地完成纳米生物环境 效应的研究。作为“科学技术的眼睛”的分析科学，在这项研究有 着极其重要的作用。生物环境下的纳米颗粒检测方法和技术、纳米 材料毒性检测新方法和新技术等是我们分析工作者义不容辞的研究 任务。目前，用于研究纳米生物环境效应的检测方法和技术均为传 统的研究毒理的方法，如MTT法。这些传统的方法适合常规的物质 （如重金属离子、有机污染物），但不一定适合具有特殊性质的纳 米尺度的物质。此外，这些传统的检测方法灵敏度不够高，而且费 时、复杂，不利于掌握和操作。可见，建立和应用一些灵敏度高、 成本低、简单、快速的检测技术和方法，对于纳米材料生物环境效 应研究是非常必要的。新的检测技术和方法的应用将可以大大地推 动和促进纳米生物效应研究。
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分析后得出的纳米光学生物传感器的实验研究方法：
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纳米金属颗粒可以用于光共振检测，如通过抗原－抗体或蛋白－ 受体结合等方法在导电材料表面固定纳米金属颗粒团，由于纳米 颗粒反射偶极子的相互作用，引起反射光的共振增强，通过检测 共振信号即可探知待检测物质。纳米颗粒也可以用来定位肿瘤， 荧光素标记的识别因子与肿瘤受体结合，然后在体外用仪器显示 出肿瘤的大小和位置。纳米金属颗粒还可以作为一种通用的荧光 湮灭基团，在寡核甘酸探针分子的两端分别标记纳米金颗粒和荧 光激发基团，探针由于碱基互补形成“发卡”结构，荧光激发基 团和纳米金颗粒靠近，引起激发荧光湮灭；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分离， 从而激发出荧光。该原理可用于核酸的实时荧光检测，以及单碱 基突变多态性检测等。
(1) 新型光学流通式生物传感器
传统的光学传感器一般为静态响应，有许多不足之处，如污染 问题、提供的测量数据精密度差、响应时间长、不能用不可 逆反应进行分子识别等。建立动态响应模式，有望解决以上 问题。另外，传统的光学生物传感器多用酶分子识别，但由 于酶种类缺乏、价格昂贵及诸多影响酶活性因素的存在而限 制了其发展。寻找新的分子识别模式，是传感器发展的一个 重要方向。如利用动植物组织、微生物、细胞进行分子识别， 利用化学基础研究的新成果超分子化学进行超分子识别等， 这些分子识别模式具有广阔的前景，值得人们探索和研究。 本课题组改变传统光学传感器静态响应模式，把流动分析技 术引入传感器的设计中，克服静态响应的缺点，建立动态响 应模式，设计出流通式化学发光传感器、流通式荧光传感器 和流通式室温磷光传感器，并对光学传感器的换能器和分子 识别系统作了全面的研究，完成了一系列性能优良的流通式 光学传感器。