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纳米生物传感器的研究进展及其应用

2016-11-17 来源:[db:来源] 浏览:
    纳米技术和生物技术是21世纪的两大领先技术,在这两者之间存在着许多技术交叉,其中,纳米生物传感技术已然引起了研究领域的广泛关注。

生物传感器是一类特殊形式的传感器,由固定化的生物敏感材料作为识别元件(包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质)与适当的理化换能器及信号放大装置构成,具有接受器与转换器的功能,从而能够检测多种生命和化学物质。纳米技术主要是针对尺度为1 nm~100 nm之间的分子世界的一门技术。该尺寸处在原子、分子为代表的微观世界和宏观物体交界的过渡区域,因此有着独特的化学性质和物理性质,如表面效应、微尺寸效应、量子效应和宏观量子隧道效应等,呈现出常规材料不具备的优越性能。纳米技术引入生物传感器领域后,提高了生物传感器的灵敏度和其它性能,并促发了新型的生物传感器的发展。但纳米生物传感器还正处于起步阶段,目前仍有具有很大的研究价值和应用空间。本文就将对纳米生物传感器的有关进展与应用做一综述。

1. 纳米颗粒生物传感器

1.1 酶传感器

酶传感器是最早发展起来的生物传感器。利用酶在生化反应种特殊的催化作用,可使糖类、醇类、有机酸、氨基酸、激素、三磷酸腺营等生物分子,在常温下迅速被分解或氧化。反应过程中消耗或产生的化学物质即可用转换器转变为电信号记录下来。1967年,Updike SJ和Hicks GP把葡萄糖氧化酶固定化膜和氧电极组装在一起,制成了第一代酶传感器。近20年来,纳米材料的飞速发展对酶传感器的发展产生了极大的促进作用,各类纳米酶生物传感器不断涌现。目前国际上已经研制成功的酶传感器有十几种,如葡萄糖、乳酸、尿素、尿酸、过氧化氢、胆固醇和氨基酸等传感器。但酶传感器仍在不断地进行研究和开发,以达到酶传感器的完全实用化和商品化。

将纳米颗粒应用于酶传感器,提高了传感器的灵敏度,缩短了电流响应时间,增强了抗干扰能力等。国内外学者对纳米颗粒增强葡萄糖氧化酶(GOD)生物传感器开展了大量研究。结果表明:葡萄糖生物传感器具有选择性高、测试简便、快速的特点,是检测葡萄糖浓度最常用的方法。人的血液和体液中含有许多干扰物质,通过引入纳米颗粒,还可以改善葡萄糖传感器抗干扰性能。如路会冉采用电流置换的方法制备出Ag-Pt 中空纳米颗粒,并将其制备成制备 Ag-Pt HNPs/CS/Au电极。该电极对于体内可能存在的抗坏血酸以及氯离子基本不受影响;重现性和稳定性较好。由于 Cu-Pt 中空合金纳米颗粒的制备反应条件更加温和,且成本更低,制备Cu-Pt HBNPs/CS/Au 电极,同样可以用于含抗坏血酸以及氯离子对葡萄糖的检测;重现性和稳定性较好。

1.2 免疫传感器

免疫传感器是由特异抗体与载体结合而成,其对特定的抗原分子具有选择性的识别能力。利用纳米金的特异性强、非特异性吸附作用小、电子密度大等特点,可以改善免疫传感器的灵敏性。纳米级界面具有较强和明显黏附力活性位点的比例优于普通界面,同时能够使表面抗体分布均匀,提高其活性率,从而提高免疫传感器的效率。

Lin Y Y等人制备了以CdSe/ZnS纳米颗粒为标记物的免疫层析电化学传感器,实现了人类血清中前列腺特异性抗原的检测。Zhang L Y等人将抗体固定在纳米金/L—半胱氨酸电极上,发展了一种新型的无介无标记免疫传感器。程琼等人采用化学键合法将乙肝抗体固化在自行制备的纳米磁性高分子功能微球表面,利用免疫夹心反应原理,采用示差脉冲伏安法检测血清中乙肝表面抗原。Lin等将纳米金颗粒组装在铟-锡电极的壳聚糖膜层上来吸附固定癌胚抗原,通过o- 苯二胺-H2O2-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。

1.3 DNA传感器

DNA传感器是一种伴随着基因工程技术发展而开发出来的一种新型生物传感器。纳米粒子的特殊结构,使其具有其他材料无法比拟的良好的光学和电学性质。再加上它的生物相容性,使其成为DNA生物传感器的理想材料。将纳米颗粒引入DNA传感器,可提高固载的DNA量,能增强和放大很多电化学检测信号,使DNA的检测更加灵敏、可靠。此类传感器可用于检测靶DNA,测定DNA序列、

DNA突变等。

张瑛洧等利用银纳米粒子与DNA之间紧密的结合使之有很高的荧光猝灭效率的原理来检测核酸,对于完全互补和碱基错配的DNA序列具有良好的区分能力。Liu S F用电沉积法直接在金电极上制备纳米金,采用循环伏安法表征了DNA的固定与杂交,发现DNA的固定与杂交量大大提高,灵敏度显著改善。Lu W等人采用光电化学方法,利用纳米金颗粒修饰以TiO2为衬底的DNA探针,实现了DNA杂交的定量检测和非互补碱基对的识别。

1.4 微生物传感器

生物传感器的测定原理有二种类型:一类使利用微生物同化底物时消耗氧的呼吸作用;另一类是利用不同的微生物含有不同的酶,把它作为酶源。Tan等人采用生物修饰的纳米颗粒,通过荧光信号为基础的免疫试验,快速、准确地检测出单个大肠杆菌0157:H7,该方法甚至能发展到384孔微平板的多菌样本高通量检测。因此,用针对不同细菌的特异性抗体来修饰纳米颗粒,这项纳米生物技术就能用来检测多种来源的细菌病原体。

2. 纳米管生物传感器

在纳米管生物传感器的研究中,碳纳米管(CNTs)管最为常见,可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。CNTs具有良好的导电性、催化活性和较大的比表面积,因此被广泛用于修饰电极的研究。分散性良好的碳纳米管在水溶液或丙酮、甲醇等有机溶剂中可观察到很强的荧光发射。基于其独特的电学和光学性质,碳纳米管对周围的环境极其敏感,所以可以将其应用于化学传感器。

2.1 酶传感器

酶的结构复杂,活性中心通常包埋于酶内部,很难实现酶与电极间的直接电子转移。碳纳米管具有良好的导电性、稳定性和生物兼容性,将酶固定到碳米管表面可以保持酶的生物活性,有效地促进酶与传感器之间快速、直接的电子转移,提高酶生物传感器的检测速度、稳定性和使用寿命。目前已经发展了多种葡萄糖氧化酶类传感器应用于葡萄糖的检测中,还可应用于有机磷类化合物的分析检测。

Dhand等将PANI和多壁碳纳米管的胶体悬浮液,通过电泳技术沉积在铟 锡氧化物包被的玻电极上共价固定胆固醇氧化酶制成的胆固醇传感器反应速度快,灵敏度高,且12周后酶的存活性也依然非常高,是可能大规模商业化的生物传感器之一。Odaci D等人利用碳纳米管修饰碳糊电极,制得了吡喃糖氧化酶传感器,该传感器可用于样品酒中葡萄糖的测定等。

2.2 DNA传感器

将DNA特有的分子识别功能与碳纳米管的优良性能相结合,通过化学吸附、共价联接、静电吸附等方法将DNA固定在碳纳米管上,以期获得性能更加优良的DNA生物传感器。唐婷等人就利用纳米碳管修饰金电极对特定序列DNA进行了检测。多壁碳管/铂碳电MWCNT(Multiple-Wall-Carbon-Nano-Tube/Glassy Carbon电极)可以应用于无标记杂交体的检测,增强的鸟嘌呤信号归于提供的界面积累而并非电催化反应。鸟嘌呤和腺嘌呤氧化峰的增加,电极同样可以通过其它研究来进行观察,并应用于小牛胸DNA的无标记分析检测。还有研究发现,绝缘MWCNT 电极阵列的端基通过碳二酰亚胺化学衍生与探针DNA连接,Ru(bpy)32+应用于目标分子鸟嘌呤碱基氧化的媒介其检测限低至几千个DNA分子。美国宾夕法尼亚大学的研究人员在最近的实验表明,碳纳米管与柯萨奇腺病毒(coxsackie—adenovirus)受体的共价官能团可作为生物传感器,专门检测腺病毒中的蛋白质。

2.3 免疫传感器

碳纳米管共价修饰抗体或其他受体后,不产生细胞毒性,也不会影响抗体或受体的免疫活性,近年来该方法在免疫传感器方面的应用逐渐增加。有研究表明CNT在免疫传感中具有识别和传导双重作用,扮演了酶的携带以及酶反应抗原抗体识别释放产物的积累。利用单壁碳纳米管制备了高度灵敏的生物传感器,用于检测多种癌细胞标记物。碳纳米管还可用于检测植物毒素。Drouvalakis K A等人将缩氨酸包被在纳米管上,制得可探测人类血清中特定疾病的自身抗体的免疫传感器。

3. 纳米光纤生物传感器

较其他类型的传感器,纳米光纤生物传感器体积小、灵敏度高、不受电磁场干扰、不需要参比器件就能够监测微环境(如细胞、亚细胞结构)中各成分浓度的渐变以及其在空间的不均一性。

Kopelman R等人最早使用了荧光法的光纤纳米传感器,以检测微环境中的pH值。Kopelman R等人又研制出局部生物性包埋的胶囊样探针传感器。Dinh T V等人成功研制出用于检测BPT (benzopyrene tetrol,一种与暴露于致癌物质苯并[α]芘相关的DNA损伤的生物标志物)的光纤纳米免疫传感器。Ghanbari K H等人采用电化学方法,利用聚吡咯纳米纤维修饰电极,制备出了一种新型电化学DNA传感器。该传感器具有较好的线性范围(0. 05~1. 0μmol/L)和较低的检测限(0. 02μmol/L)。Martha LW等人利用准直纳米碳纤制得电流型无试剂酶生物传感器。它具有检测范围宽、稳定性强、重复利用率高、响应时间短等优点。而且在过去的几年中, 另外发展了好几种光学生物传感器来进行各种生物相关种类的分析,包括通过细胞色素c’和荧光标记的细胞色素c’的荧光检测来检验氮氧化合物的纳米生物传感器, 还包括以酶为基础的用谷氨酸胺脱氢酶为受体间接测定谷氨酸的纳米生物传感器

4. 纳米量子点生物传感器

近年来,纳米量子点用于生物传感器的研究备受关注。量子点是纳米尺寸(通常在2~20 nm)的半导体纳米微晶体,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。

肿瘤生物传感器由量子点与能够识别肿瘤细胞标志物的特异性靶向分子,如特异性配体、单克隆抗体、核酸探针等组装而成,通过靶向分子与肿瘤细胞表面标志物分子结合,利用物理方法来测量传感器中的磁信号、光信号等,可实现肿瘤的定位和显象,有利于肿瘤的早期诊断。Sapsford 等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-亲和素的特异性识别,将生物素化的麦芽糖结合蛋白-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。Goldman 等制备了不同发射波长的CdSe-ZnS-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。

5. 纳米线生物传感器

硅纳米线具有良好的光学性能和自然的氧化层,易于制备,重复利用率高,因而,成为传感器的理想材料。利用它已经可以制作高灵敏、无标记和实时检测的生物传感器及其阵列,用于检测pH、葡萄糖、细胞和DNA等参数。

Wang等报导了一种硅纳米线场效应晶体管(FET)装置,在酪氨酸蛋白激酶(Abl)的介导下,它能高度敏感,免标记地直接检测到ATP以及ATP的小分子阻断剂(Gleevec),因此能成为药物开发的一项技术平台。Cui Y等人用胺和羟基修饰搀硼硅纳米导线,制作成纳米PH计。PatolskyF等人利用纳米线场效应晶体管直接、实时地从样本中检测到单个流行性感冒病毒A颗粒。Chen W W等人以热蒸发氧化物辅助生长机理所得硅纳米线作为电子输运体制备了用于检测葡萄糖的安培生物传感器。KumarA等人利用功能化纳米线,采用酶片段互补技术,制得超灵敏皮质醇探测传感器。Zhang G J等人用脱氧硅纳米线制得度量戍糖核酸—脱氧核糖核酸杂交的高灵敏传感器,其检测限可达到10fmol/L,同时,还可识别非互补序列。

展望:

纳米生物技术是国际生物技术领域的前沿和热点问题,在生物传感器领域中着广泛的应用和明确的产业化前景。新型纳米生物传感器的各项性能指标(如,线性检测范围、响应时间、稳定性和检测限等)都有所改善。但仍存在许多技术难题和挑战,比如,纳米材料的生物相容性和功能性;对纳米传感器进行长期的在体评估;纳米颗粒还不能修饰生物大分子等问题还有待解决。此外,纳米生物技术的发展需要不同学术背景的研究者密切合作,通过概念、知识和技术上的互相交流来达到不断创新、共同进步,比如,把单细胞和单分子力学与微机电加工、微全分析和纳米微流控技术的结合起来是纳米技术发展的一个关键所在,并将使分子生物学发展到一个崭新的水平。

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