摘 要：納米技術(shù)介入生物傳感器的研究領(lǐng)域具有非常重要的意義。簡(jiǎn)要介紹了電化學(xué)生物傳感器的工作原理，著重討論了納米顆粒在電化學(xué)生物傳感器中的研究進(jìn)展，并論述了這一領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：納米顆粒; 電化學(xué)生物傳感器; 酶電極

1 引言

生物傳感器是用固定化的生物活性成分為敏感元件與適當(dāng)?shù)哪芰哭D(zhuǎn)換器件結(jié)合而成的傳感裝置，用以測(cè)定一種或幾種分析物的含量。生物傳感器是多學(xué)科交叉的產(chǎn)物，是一種全新的檢測(cè)技術(shù)，在生命科學(xué)、臨床診斷、環(huán)境監(jiān)控以及過程控制等各種領(lǐng)域都有所應(yīng)用。生物傳感器與傳統(tǒng)的檢測(cè)手段相比，具有高專一性和靈敏度，響應(yīng)時(shí)間快的明顯優(yōu)勢(shì)，但對(duì)于實(shí)現(xiàn)在線、實(shí)時(shí)檢測(cè)的要求仍有一定差距。

納米技術(shù)主要是針對(duì)尺度為 1~100nm 之間的分子世界的一門技術(shù)，是21世紀(jì)最前沿的兩大學(xué)科之一。納米顆粒處在宏觀體系和微觀體系之間的過渡區(qū)域，是由數(shù)目極少的原子或分子組成的原子群。納米顆粒的特殊結(jié)構(gòu)使其具有微尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)，并由此引起力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)和化學(xué)活性等方面的特殊性質(zhì)。它具有比表面積大、表面活性中心多、催化效率高、吸附能力強(qiáng)、表面活性高等優(yōu)點(diǎn)而被用于電化學(xué)生物傳感器的研究，以提高靈敏度和縮短反應(yīng)時(shí)間。

2 電化學(xué)生物傳感器

電化學(xué)生物傳感器是以酶、微生物、抗原或抗體、細(xì)胞、動(dòng)植物組織為敏感膜，以將生物量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的電化學(xué)電極為轉(zhuǎn)換器組成的裝置。根據(jù)其產(chǎn)生電信號(hào)的類別，可分為電流型和電位型兩大類。目前研究較多的是各種酶電極。

酶電極就是利用酶對(duì)生化反應(yīng)催化的單一性目標(biāo)物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)。在絕大多數(shù)情況下，生物酶會(huì)保持極大的選擇性。通常在生物酶的催化下發(fā)生如下的生化反應(yīng)： 

式中，S1為目標(biāo)物，S2為媒介物，P1為生成物1，P2為生成物2。當(dāng)目標(biāo)物S1的濃度不能被直接檢測(cè)時(shí)，可以通過檢測(cè)媒介物S2的減少量(或P1、P2的生成量或生成速度)來獲得目標(biāo)物的濃度。

3 研究現(xiàn)狀

3.1 納米顆粒用作抗干擾劑

長(zhǎng)期以來，減小共存電活性物質(zhì)，特別是抗壞血酸(AA)的干擾是葡萄糖生物傳感器研究的重點(diǎn)。最近，研究人員將MnO2納米顆粒溶于殼聚糖溶液中，電沉積在葡萄糖氧化酶(GOD)修飾的電極表面，形成一層氧化物薄膜。這樣制得的生物傳感器可以很好地消除AA的干擾，而對(duì)葡萄糖的測(cè)定沒有影響。

3.2 納米顆粒標(biāo)記

許多文獻(xiàn)報(bào)道了膠體金在各種生物傳感器中的信號(hào)放大作用。首先把生物素化的白蛋白吸附在電極表面，再與10 nm直徑膠體金標(biāo)記的親和素反應(yīng)，由膠體金引起的電流響應(yīng)與親和素濃度在一定范圍內(nèi)線性相關(guān)。納米顆粒也可以用來定位腫瘤，熒光素標(biāo)記的識(shí)別因子，與腫瘤受體結(jié)合，可以在體外用儀器顯影確定腫瘤的大小和位置。另一個(gè)重要的方法是用納米磁性顆粒標(biāo)記識(shí)別因子，與腫瘤表面的靶標(biāo)識(shí)別器結(jié)合后，在體外測(cè)定磁性顆粒在體內(nèi)的分布和位置，從而給腫瘤定位。

3.3 納米顆粒用作固定載體

在生物傳感器的研制中，人們嘗試用多種新方法來固定酶，以期達(dá)到實(shí)用的要求。納米顆粒比表面積大、吸附能力強(qiáng)，可以很牢固地吸附酶等生物大分子，增加酶的吸附量和穩(wěn)定性，且蛋白質(zhì)等物質(zhì)吸附在納米金屬顆粒的表面上仍能保持生物活性。

（1）納米顆粒在GOD電極中的應(yīng)用。

用超細(xì)顆粒固定化酶是傳感器研制中最有前途的方法。早期的研究主要集中于單一納米顆粒，后來發(fā)展為將復(fù)合納米顆粒應(yīng)用于GOD和其它酶電極中。

①?gòu)?fù)合納米顆粒的應(yīng)用。

任湘菱用憎水銀-金納米顆粒進(jìn)行GOD的固定化研究表明：憎水銀-金納米顆粒可以顯著提高GOD酶電極的響應(yīng)靈敏度。這主要是由于：(1)金屬納米顆粒本身就具有催化活性：當(dāng)金屬原子簇所包含的原子數(shù)少到一定數(shù)目時(shí)，顆粒本身具有從周圍體系中吸取電子而被還原的特性。因而在GOD酶反應(yīng)中納米顆粒迅速地從被還原的GOD(FADH2)獲取電子而使GOD重新具有氧化性，這樣就加速了酶的再生速度；(2)納米顆粒表現(xiàn)出顯著的不同于塊體材料的特性，其非常大的表面積和較高的表面自由能使得大量GOD牢固吸附在納米顆粒表面，在一定程度上鈍化了酶的構(gòu)型，使其不易發(fā)生進(jìn)一步的變化而失活，增加了酶的穩(wěn)定性和催化活性。

將納米憎水Si02和親水Au組成的復(fù)合納米顆粒固載GOD構(gòu)建的傳感器，可以保持GOD的活性和延長(zhǎng)酶電極的壽命，其效果明顯優(yōu)于這兩種納米顆粒單獨(dú)使用時(shí)對(duì)GOD電極響應(yīng)性能的增強(qiáng)作用。主要原因是復(fù)合納米顆粒比單一納米顆粒更易于形成連續(xù)勢(shì)場(chǎng)，降低電子在電極和固定化酶之間的遷移阻力，提高電子遷移率，有效地加速了酶的再生過程，所以復(fù)合納米顆粒顯著增強(qiáng)了傳感器的電流響應(yīng)，提高了傳感器分析葡萄糖的靈敏度。

②納米顆粒與修飾電極聯(lián)用。

鐘霞等人用(3-巰基丙基)-三甲氧基硅烷凝膠溶膠修飾的金電極表面自組裝納米金和GOD。研究表明，納米金可與巰基結(jié)合，形成牢固的共價(jià)鍵，增加了其固化GOD的穩(wěn)定性而不影響其活性；納米顆粒增加了三維電極的有效固定面積，可以結(jié)合更多的GOD，使得檢測(cè)下限延長(zhǎng)；同時(shí)納米金的存在加快了GOD活性中心FDA/FDAH2與金電極表面的氧化還原反應(yīng)，因此制成了高靈敏度的生物傳感器。

研究分析，在納米銅修飾的金電極上以鄰胺基苯酚聚合物固載GOD制成的電極，納米銅加入后對(duì)葡萄糖的檢出線低2倍，最大響應(yīng)電流高3倍，靈敏度提高了2.5倍。

（2）納米顆粒在辣根過氧化酶(HRP)電極中的應(yīng)用。

將巰基化的苯乙烯丙烯酸共聚物修飾的金電極自組裝納米金顆粒和HRP，獲得的傳感器在沒有電子媒介體的情況下仍具有很強(qiáng)的電催化響應(yīng)信號(hào)，并且該傳感器在使用60天后仍具有98.7%的生物活性，顯示了很高的可重復(fù)利用率。

采用TiO2納米顆粒與聚乙烯醇縮丁醛作為固酶基質(zhì)，用凝膠溶膠法固定HRP，構(gòu)成過氧化氫生物傳感器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，納米TiO2顆粒的引入明顯提高了HRP對(duì)H2O2的響應(yīng)電流。

研究還發(fā)現(xiàn)，將TiO2納米顆粒溶液與HRP混合，涂覆在熱碳電極上，揮去溶劑后成為固載HRP的TiO2膜。納米TiO2顆粒大的表面積保證了膜的穩(wěn)定性，其良好的生物兼容性使酶保持原有的結(jié)構(gòu)和電催化活性，并為酶和電極之間電子傳遞提供了最適的微環(huán)境。HRP-TiO2膜的這些特點(diǎn)具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

利用納米金、HRP、殼聚糖和戊二醛的混合溶液，在玻碳電極表面形成穩(wěn)定固載HRP的殼聚糖膜。納米金與HRP形成靜電復(fù)合物，防止了HRP從殼聚糖膜中泄漏并提供適應(yīng)酶所需的微環(huán)境，保持了HRP的生物活性。

另外，利用血紅素(Hb)代替HRP，將其固定到納米金修飾的電極表面。由于納米金的存在加快了電子傳遞過程，復(fù)合電極對(duì)H2O2有很強(qiáng)的還原作用，且穩(wěn)定性好。也有人用納米ZrO2/DMSO(二甲亞砜)膜為基質(zhì)，將Hb固定到PGE表面，保持了其原有的構(gòu)型和催化活性，且電極在74℃的高溫下穩(wěn)定。

（3）納米顆粒在其它酶電極中的應(yīng)用。

將巰基乙胺固載到玻碳電極表面，進(jìn)而化學(xué)吸附納米金，并通過半胱氨酸用戊二醛作交聯(lián)劑，將白喉抗體固定在玻碳電極上，制得的電位型免疫傳感器靈敏度高，對(duì)白喉類毒素檢測(cè)的線性范圍是24~600 ng/ml，檢出限為5.2 ng/ml。已研制的Nafion/黃嘌呤氧化酶(XO)/納米金膠電流型生物傳感器能快速靈敏地檢測(cè)次黃嘌呤，并且有非常低的檢測(cè)限，該生物傳感器有望實(shí)現(xiàn)對(duì)次黃嘌呤的在線測(cè)定。國(guó)內(nèi)外研究人員還用納米金膠吸附XO、牛碳酸脫水酶并電沉積在基礎(chǔ)電極(如鉑和玻碳電極)上制成不同的電流型生物傳感器。 4 發(fā)展趨勢(shì)

近年來，將各種納米顆粒應(yīng)用于電化學(xué)生物傳感器的研究，正引起人們極大的興趣，并使傳感器技術(shù)獲得巨大進(jìn)步。初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，納米顆粒以其吸附能力強(qiáng)、生物兼容性好、催化效率高等優(yōu)良性質(zhì)，在生物標(biāo)記、放大信號(hào)、消除干擾和多種酶的固定化技術(shù)中得到了廣泛地應(yīng)用：大幅度提高了檢測(cè)的靈敏度，縮短了響應(yīng)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)物的實(shí)時(shí)檢測(cè)；延長(zhǎng)了一些酶電極的使用壽命，降低了成本；同時(shí)使儀器向微型化發(fā)展成為可能。

但也不難看出，目前的研究工作僅在少數(shù)幾種物質(zhì)的實(shí)時(shí)檢測(cè)中取得了良好的結(jié)果，而且所使用的納米顆粒的種類也很有限。為了最大程度地保持酶的生物活性，延長(zhǎng)酶電極的使用壽命，進(jìn)一步提高生物傳感器的靈敏度和響應(yīng)電流，縮短相應(yīng)時(shí)間，在納米制備方法的改進(jìn)、各種形式的有機(jī)或無(wú)機(jī)納米材料的應(yīng)用、特殊結(jié)構(gòu)和材料的電極的研制等方面，仍有較大的發(fā)展空間，有待于科學(xué)工作者進(jìn)行更深入地研究，以期制造出綜合型、智能型的納米儀器。 

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