作者：羅潔 曾光明 湯琳 尹娟 黎媛萍

【摘要】 近年來納米材料在各領域已受到人們越來越廣泛的關注，尤其是核殼型納米顆粒的制備技術在不斷更新發展，在生物傳感器方面有著巨大的應用前景。本文重點介紹了生物傳感型核殼顆粒的工作原理、制備方法及其在電化學生物傳感器、光學生物傳感器以及壓電晶體生物傳感器上的最新應用進展。

【關鍵詞】 核殼， 納米顆粒， 制備， 生物傳感器， 評述

1 引言 納米技術是20世紀80年代末崛起的新技術，在材料、光學、化工、醫藥、環境保護等諸多領域得到廣泛的應用[1]。納米顆粒是指尺寸在1～100 nm之間的粒子，它是由數目極少的原子或分子組成的原子群或分子群，介于宏觀物質和微觀原子與分子中間的領域，是一種典型的介觀系統。其特殊的結構導致它具有許多獨特的性質，如表面效應、小尺寸效應、量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應等。傳感器追求微型化、靈敏度高、響應速度快[2]，納米顆粒的特點滿足了這些要求，而核殼結構的納米顆粒可以進一步提高納米材料的性能，廣闊的復合空間與納米粒子獨特性能的結合，使粒子復合技術成為材料領域的又一亮點。核殼部分可由多種材料組成，包括高分子、無機物和金屬等。包覆在外面的殼層材料可改變顆粒的光、電、磁等物理性質，在生物傳感器領域有著廣泛的應用前景。

２ 生物傳感型核殼結構納米顆粒工作原理 核殼結構的納米顆粒具有比表面積大、良好的生物相容性以及電催化性等優良的性質，在應用于生物傳感器時體現了其優越的適用性。核殼納米顆粒在生物傳感器應用主要有幾種形式：構建活性界面用于固定生物材料；作為標記物應用于傳感器等。

2.1 構建活性界面固定生物材料 核殼顆粒具有保持生物組分活性的性質，而且能加快生物分子與電極表面之間的電子轉移，可提供固定生物材料的活性界面（如圖1）。圖1中將抗體固定在核殼顆粒上，再與特異性抗原結合。DNA以及酶等生物分子在檢測等過程中極易失活，而固定在核殼顆粒上，核殼顆粒結合了不同材料的優點，不僅具有良好的生物相容性，保持其生物活性，且比用其中一種材料修飾的檢測信號更強。Feng等[3]將CeO2/殼聚糖組合矩陣首次應用于單鏈DNA探針的固定，組成的生物傳感器具有無毒性以及高的電子傳導率，加強了單鏈DNA探針在電極表面的負載，用于結腸直腸癌基因的檢測。Marcos等[4]在核殼顆粒上固定肽核酸（PNA），特異性地與互補DNA雜交。Tang等[5]用磁性核殼納米顆粒(Fe3O4/SiO2)構建界面固定漆酶，構造電化學生物傳感器來檢測堆肥中苯磷二酚，核殼顆粒良好地保持了漆酶的活性。Yang等[6]用逐層自組裝的方法制備了碳納米管/殼聚糖復合材料，并將膽固醇氧化酶固定在電極上，設計了一種用來檢測膽固醇濃度的生物傳感器。納米復合顆粒大幅度提高了固定化酶的催化活性，增加電極的電流響應靈敏度，改進生物傳感器的抗干擾性能。

圖1 核殼顆粒作為活性界面（略）

Fig.1 Nanoparticle acts as active interface 在將核殼納米顆粒用于生物傳感器構建過程中，關鍵是如何將生物材料(酶、抗原、抗體、生物組織、細胞、DNA等)穩定地、高活性地固定到傳感換能器(基體電極、晶振片、光極等)表面，提高和改善生物傳感器的測定重復性、靈敏度、線性范圍、檢出限及使用壽命等特性。常用于將生物材料固定在傳感換能器表面的主要方法有吸附固定法、包埋法、交聯法、共價鍵合法及定向固定法等。

2.2 作為標記物應用于生物傳感器 對核殼納米粒子作為標記物的檢測方法主要有分光光度法、熒光分析法和電化學分析法。分光光度法是根據納米粒子標記DNA探針在分子雜交反應前后最大吸收波長的變化進行測定。由于納米粒子的激發光譜寬，且連續分布，而發射光譜呈對稱分布且寬度窄，顏色可調，即不同大小的納米粒子能被單一波長的光激發而發出不同顏色的光，并且光穩定性高，不易降解，所以可用熒光分析法對納米粒子標記物進行測定。電化學分析法是一種新的檢測納米粒子標記物的方法。由于所用納米粒子多為金屬微粒或半導體納米材料，根據組成納米粒子的金屬不同，其相應的氧化還原電位也不相同，可以通過對納米粒子標記物中的金屬含量的測定，達到對納米粒子標記物的測定的目的。常用的電化學手段有循環伏安法、溶出伏安法、差分脈沖伏安法等。 Cai等[7]在殼聚糖修飾的電極上修飾ssDNA，與金納米粒子標記的寡核苷酸探針雜交，加入銀納米的修飾劑，在金表面在線沉積納米銀，得到銀包裹的金納米粒子，利用高靈敏度的微分脈沖伏安法檢測銀，從而使檢測ssDNA的靈敏度提高了2個數量級，檢出限可達50 pmol/L。Palecek等[8]在DNA 序列的檢測中引入磁性微粒，用磁性微粒標記寡核苷酸作為探針，與待測的DNA分子雜交后，磁場分離雜交分子，利用陰極溶出法進行DNA 的檢測，降低了檢出限。段菁華等[9]采用油包水的反相微乳液方法，首次以羊抗人免疫球蛋白(IgG) 標記的異硫氰酸熒光素(FITC)為核材料，成功地制備了FITC的核殼熒光納米顆粒， 克服了采用傳統方法制備核殼熒光納米顆粒中存在的熒光染料泄露的問題。該核殼熒光納米顆粒比細胞小很多，且具有生物親和性，可為納米生物傳感器件提供新型材料。基于該核殼熒光納米顆粒的標記方法也為生物醫學提供了一種新型的非同位素分析方法。 Cai等[10] 用低溫法制備了一種以Cu為核，Au薄層為殼的核殼型納米粒子，使之易于與ssDNA進行功能性聚合。這種核殼型Cu/Au納米粒子與有5′巰基修飾的ssDNA 偶聯，制備成納米標記的DNA 探針，待測ssDNA固定在玻碳電極表面。當它與相對應的納米Cu/Au核殼型納米粒子標記DNA 探針雜交后形成含有納米標記物的DNA 雜交分子。與金納米探針相比，Cu/Au對DNA的雜交過程所產生的電信號具有明顯的放大作用。Huang等[11]使用CdSe/ZnS核殼量子點作為熒光標記檢測α人類IgE生物素，達到良好的效果，之后又將量子點作為指示劑對尿素進行定量分析[12]。核殼納米顆粒的特殊性質使傳感器具有好的適應性及高靈敏度。Xu等[13]將抗 單克隆抗體包被功能化的熒光核殼納米顆粒，作為標記物用于夾心熒光免疫檢測中。校準曲線在1.0～75.0 μg/L范圍內呈良好的線性關系，檢出限達到0.3 μg/L。 核殼納米顆粒利用其不同于傳統材料的優良性質，在作為標記物中體現了其特殊的光學性質、催化性質等，極大提高了生物傳感器的各項性能，提高響應靈敏度，提高抗干擾能力。

3 生物傳感型核殼顆粒的制備

3.1 溶膠凝膠法 溶膠凝膠法是合成納米復合顆粒的一種重要方法。在含有聚合物共溶劑體系中，使得烷氧金屬或金屬鹽等前驅物水解和縮合。如果條件控制得當，在凝膠形成與干燥過程中聚合物不發生相分離，即可獲得。這種方法具有成本低、工藝簡單、組分易于控制等優點。 溶膠凝膠法在半導體/SiO2納米復合材料的制備與結構控制方面具有重要作用，該方法設備簡單、反應溫度低，可制備其它方法難以制備的化合物。Jayasankar等[14]用一種簡單的溶膠凝膠方法合成氧化鋁鈦酸鋁核殼結構。這種方法在控制復合顆粒的粒徑大小、低溫合成及燒結等方面效果顯著。在氧化鋁基中低溫合成鈦酸鋁歸因于試劑間大的接觸面積。該方法晶粒生長不明顯，且具有很好的增濃作用。

3.2 沉積法 沉積法是指將金屬快速散射于預定的表面上，而聚合物可以直接加熱蒸積到襯底上，也可以是一般單體或聚合物材料經高溫熱解產生出可聚合性單體散射于襯底聚合而得，可以與金屬散射同時聚合，也可以先行聚合再處理。 Sathish等[15]通過沉積法合成AuTiO2復合顆粒。如果用CdS 修飾TiO2納米管陣列，反應生成的CdS晶粒在襯底上的沉積過程實質是一個表面吸附成核的過程。在光滑的薄膜表面上吸附能力較弱，成核密度較低；反之，表面適當粗糙的襯底，卻有較強的活性和吸附能力，成核密度高[16]。Flores等[17]制備了SiO2@Ag核殼納米顆粒，用直徑為(4±2) nm的Ag納米顆粒包覆直徑為(50±10) nm的Si納米微球。在水/乙醇混合液中，原硅酸四乙酯作為硅源，將AgNO3作為Ag的來源而并未加入交聯劑，在制備過程中，將溶液中的Ag+轉化為Ag納米顆粒沉積在Si微球表面，形成了均一的核殼結構納米微球。Shishkanova等[18]將聚苯胺沉積在聚乙烯表面，用來控制聚合膜的厚度。在聚N乙烯吡咯烷酮存在的條件下，苯胺的氧化是在分散態下進行的。

3.3 原位聚合法 原位聚合法也稱就地聚合。即在柔性聚合物或其單體中溶有剛性聚合物單體后，再就地聚合，生成的剛性聚合物分子均勻地分散在柔性聚合物基體中，從而形成分子復合材料。原位聚合在很大程度上提高了納米粒子在聚合物基體中的分散性，提高了聚合物復合材料的力學性能。 在合成核殼顆粒過程中，殼層的交聯劑含量對粒子的尺寸的影響很大。任現文等[19]用原位聚合法成功地制備出不同響應溫度的溫敏性聚乳酸/聚異丙基丙烯酰胺co丙烯酰胺核殼膠束。實驗中當交聯劑的摩爾分數從5%提高到15%時，粒子在25 ℃下的流體力學直徑從170.2 nm增加到886.5 nm。Liu等[20]用原位聚合法合成了SiO2/聚吡咯核殼顆粒，聚吡咯微球的殼厚度是可以控制的。Jing等[21]采用原位化學氧化聚合法合成了Ag/聚苯胺的核殼結構。Liu等[22]用原位氧化聚合法合成了 @聚苯胺（ATP@PANI）核殼顆粒，并研究了HCl濃度的影響以及ATP@PANI復合顆粒的導電性能。核殼顆粒的殼厚度很容易通過過程參數來控制，如單體濃度和熱水溫度等。Luo等[23]等將聚苯胺原位聚合到Si納米顆粒上，形成核殼結構，更容易吸附辣根過氧化物酶，同時也增大了活性電極表面積。

3.4 自組裝技術 自組裝是指組裝單元通過非共價鍵作用自發形成熱力學穩定且具有明確有序結構的聚集體的過程，自組裝技術制備的核殼式微球，其殼層形成的驅動力是中心粒子和殼層間所帶的相異電荷，或是相鄰殼層間相異電荷的靜電引力，實現物理吸附。也可以引發層間的化學反應產生交聯，提高了殼層的穩定性。 宋秀芹等[24]采用逐層自組裝方法在二氧化硅球表面交替組裝了十二烷基硫酸鈉單分子膜和TiO2納米粒子膜，該復合多層膜經高溫煅燒得到了核殼型納米結構TiO2/SiO2復合顆粒。利用Ｘ射線、掃描電鏡、X射線能譜等對復合顆粒進行了表征。結果表明：TiO2在復合顆粒表面排列緊密、均勻，粒徑約50 nm，復合顆粒中TiO2的含量隨組裝層數的增加而均勻增加。Au/C[25]， CdS/聚電解質[26]等核殼顆粒都可通過自組裝方式合成。Bizdoaca等[27]用自組裝的方法合成核殼顆粒，由640 nm直徑聚苯乙烯微球核以及5層12 nm直徑Fe3O4納米晶體組成。Yang等[28]通過層層自組裝技術合成生物功能化的熒光微球，用于免疫檢測分析。首先將多層熒光標記的聚電解質覆蓋在膠體顆粒上，再包覆上蛋白質層，實驗結果顯示其具有很好的效果。Chen等[29]制備了以聚苯乙烯為核，將4乙烯基吡啶/Au自組裝在核表面形成核殼結構，表面組合顆粒具有更高的催化活性和接觸反應效率。Wang等[30]采用層層自組裝技術形成AuC@SiO2復合物并構造H2O2生物傳感器。

４ 核殼顆粒在生物傳感器的應用

4.1 核殼顆粒在電化學傳感器中的應用 電化學生物傳感器是以酶、微生物、抗原或抗體、細胞、動植物組織為敏感膜，以將生物量轉換為電信號的電化學電極為轉換器的裝置。圖2為原理流程圖，首先通過吸附沉積等作用形成核殼顆粒，在電極表面修飾化學基團，利用化學基團與核殼顆粒的作用將核殼顆粒固定，再在顆粒表面連接生物分子，用于電化學檢測。 Cai等[7]研究的金銀復合納米粒子在DNA 檢測中使靈敏度較一般的單個納米粒子標記的DNA 探針提高了2個數量級。Liu等[31]將絡氨酸酶修飾的磁性核殼顆粒MgFe2O4SiO2利用磁力固定在碳糊電極上，構造苯酚生物傳感器，采用循環伏安法等電化學手段對苯酚進行檢測。Wang等[32]將Si@Au核殼顆粒（GNSs）通過自組裝技術，固定在丙基三甲氧基硅烷（APTES）修飾的氧化銦錫（ITO）電極表面，形成GNSs/APTES/ITO電極。核殼顆粒能提供大的表面積以及具有良好的導電性，促進血色素與電極間的直接電子轉移。此外，還據此構筑了高效的H2O2生物傳感器。Zhang等[33]利用Fe3O4/SiO2核殼磁性納米顆粒修飾碳糊電極并用于檢測對苯二酚。Qiu等[34]利用二茂鐵修飾的磁性核殼Fe3O4/SiO2納米顆粒合成新型的葡萄糖生物傳感器，獲得的磁性生物納米顆粒連接到碳糊電極表面，并作為酶與電極之間電子轉移的媒介。此生物傳感器可以在1.0×10－5～4.0×10－3mol/L線性范圍內檢測葡萄糖。Yan等[35]合成銀聚苯胺核殼復合物，構造生物傳感器，在中性環境中有很好的電化學行為，并對抗壞血酸維生素C的氧化有抑制作用，能在抗壞血酸維生素C濃度為多巴胺5000倍的情況下檢測多巴胺。

圖2 核殼顆粒應用于電化學生物傳感器的原理流程圖（略）

Fig.2 Principle flow chart of core/shell nanoparticles applied in electrochemical biosensor

4.2 核殼顆粒在光生物傳感器中的應用 光生物傳感器選擇性地識別分子信息，引發光學變化，且把光學變化轉換為電信號輸出。可利用的光學信號很多，包括光吸收、熒光、表面等離子體共振等。光生物傳感器具有靈敏度高、不需要參比、光傳播信號不受外界電磁干擾等特點。圖3為核殼顆粒應用于光生物傳感器的原理圖，首先在平板表面組裝上底層，再將作為核的納米顆粒連接在底層上，并在顆粒外覆蓋殼層，利用其特殊光學性質進行檢測。

圖3 核殼顆粒應用于光生物傳感器的原理流程圖

Fig.3 Principle flow chart of core/shell nanoparticles applied in optical biosensor Endo等[36]發展了基于表面等離子體共振生物傳感器的新型非標記細胞檢測方法。他們使用核殼納米顆粒作為層基片，通過固定在傳感器表面的抗體和抗原的特異性反應而產生的折射率變化，檢測細胞代謝物。在此表面等離子體生物傳感器中，通過光學性質的檢測來判斷抗體與細胞代謝物之間的特異性反應，固定在傳感器上的抗體的檢出限為10 ng/L。 Huang等[37]由傳統的金納米棒與Na2S2O3或 Na2S反應生成一類蟲狀的新型金納米棒。這種金金硫化物核殼結構的金納米棒的靈敏度比傳統的納米棒高，這種特性使金納米棒在生物傳感器構造以及生物分子識別研究中有廣泛的應用前景。核殼顆粒的特殊光學性質，可將其用于光吸收。Enders等[38]通過表面增強紅外吸收（SEIRA）來檢測抗體抗原的特異性反應。SEIRA膜是將金納米顆粒沉積到SiO2/Si晶片表面得來的。在將特異性抗體固定到金納米顆粒上后，樣品暴露在特異性抗原中，然后采用紅外光譜檢測樣品。

4.3 核殼顆粒在壓電晶體生物傳感器中的應用 壓電生物傳感器是一種將高靈敏的壓電傳感器技術與特異的生物反應結合，通過換能器將生物信號轉化為易于定性或定量檢測的物理或化學信號的新型生物檢測分析方法。壓電晶體具有高度靈敏性的質量響應特征，其頻率變化與結合在其上的物質質量相關。顯然，具有生物親和性質的組分檢測，可以構建壓電傳感器。 高效地將免疫活性材料固定到傳感表面是設計生物傳感器的關鍵步驟。Ding等[39]通過將金納米顆粒自組裝到納米級的羥基磷灰石上，來設計壓電免疫傳感器的界面，通過檢測α胎蛋白抗原抗體系統來研究此傳感器的性能，并將此種免疫傳感器的免疫反應與抗體單獨固定在羥基磷灰石或納米金上的進行比較。實驗發現，用此種傳感器的傳感界面，抗原抗體活性更高。可以在15.3～600.0 μg/L范圍內對胎蛋白進行檢測。Jia等[40]將細胞連接到殼聚糖/多壁碳納米管修飾的金電極上，使用壓電石英晶體微量天平來控制，這種組合物的化學性質以及形態學都用掃描電極以及紅外光譜表征。實驗顯示這種納米組合物與細胞有更好的生物相容性。５ 展 望 核殼結構的納米復合粒子由于其特殊的結構具有許多優異的性質，不同于單一的材料，往往具備核層和殼層材料的性能，有著新的光學、電化學以及光電轉換等特性，一直是研究的熱點。以前的研究主要集中在核殼聚合物粒子領域，現在的研究深入到內核或外殼為聚合物、氧化物、貴金屬等，而且核殼結構的納米顆粒的組成、形貌和表面性質是可調的，有著重要而廣闊的應用前景。生物傳感器在免疫學、醫學、食品等領域都有著普遍應用，而且已被成功應用于環境中痕量有害物質的分析與檢測[41]。生物傳感型的核殼粒子作為一種新型的復合材料，它必將受到人們越來越多的重視。如量子點納米顆粒由于其量子尺寸效應，大小不同或組成材料不同即可發不同顏色的熒光，而且可用單一波長的光激發多種顏色不同的量子點，更適合現今生物大分子的分析檢測，近年來被廣泛用于生物學標記。生物可降解納米顆粒的研究也受到越來越多的重視，它們包裹活性物質，使其與周圍介質相隔離以避免過快降解，并能在需要時釋放活性物質。將核殼納米顆粒應用于生物傳感器的檢測，提高了傳感器的性能，使其可檢測的目標物濃度越來越低，使生物傳感器的研究更加深入。但是，部分核殼材料的形成機理及核與殼材料的協同作用機理尚不明確，而且許多制備工藝也完善，制得的納米復合材料的性能往往無法與期望的完全符合。因此，為了使核殼型納米復合材料得到更廣泛的推廣應用， 還需要大量深入的研究。