納米顆粒在電化學(xué)生物傳感器中的應(yīng)用研究

1、納米顆粒在電化學(xué)生物傳感器中的應(yīng)用研究        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展，并論述了這一領(lǐng)域的趨勢。 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，是一種全新的檢測技術(shù)，在生命、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

2、感器與傳統(tǒng)的檢測手段相比，具有高專一性和靈敏度，響應(yīng)時間快的明顯優(yōu)勢，但對于實現(xiàn)在線、實時檢測的要求仍有一定差距。 納米技術(shù)主要是針對尺度為 1100nm 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、表面活性高等優(yōu)點而被用于電化學(xué)生物傳感器的研究，以提高靈敏度和縮短反應(yīng)時間。 2 電化學(xué)生物傳感器 電

3、化學(xué)生物傳感器是以酶、微生物、抗原或抗體、細(xì)胞、動植物組織為敏感膜，以將生物量轉(zhuǎn)換為電信號的電化學(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生化反應(yīng)催化的單一性目標(biāo)物質(zhì)進行檢測。在絕大多數(shù)情況下,生物酶會保持極大的選擇性。通常在生物酶的催化下發(fā)生如下的生化反應(yīng)： 式中，S1為目標(biāo)物，S2為媒介物，P1為生成物1，P2為生成物2。當(dāng)目標(biāo)物S1的濃度不能被直接檢測時，可以通過檢測媒介物S2的減少量(或P1、P2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 長期以來，減小共存電活

4、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。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，而對葡萄糖的測定沒有影響。 3.2 納米顆粒標(biāo)記 許多報道了膠體金在各種生物傳感器中的信號放大作用。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。另一個重要的方法是用納米磁性

5、顆粒標(biāo)記識別因子，與腫瘤表面的靶標(biāo)識別器結(jié)合后，在體外測定磁性顆粒在體內(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)到實用的要求。納米顆粒比表面積大、吸附能力強，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。 復(fù)合納米顆粒的應(yīng)用。 任湘菱用憎水銀-金納米顆粒進行GOD的固定化研究表

6、明：憎水銀-金納米顆?？梢燥@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，顆粒本身具有從周圍體系中吸取而被還原的特性。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

7、，可以保持GOD的活性和延長酶電極的壽命，其效果明顯優(yōu)于這兩種納米顆粒單獨使用時對GOD電極響應(yīng)性能的增強作用。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)勢場，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。 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，使得檢測下

8、限延長；同時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的電催化響應(yīng)信號，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TiO2納米顆粒與聚乙烯醇縮丁醛作為固酶基質(zhì)，用凝膠溶

9、膠法固定HRP，構(gòu)成過氧化氫生物傳感器。實驗結(jié)果表明，納米TiO2顆粒的引入明顯提高了HRP對H2O2的響應(yīng)電流。 研究還發(fā)現(xiàn)，將TiO2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TiO2膜。納米TiO2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-TiO2膜的這些特點具有廣泛的應(yīng)用價值。 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

10、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H2O2有很強的還原作用，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，對白喉類毒素檢測的線性范圍是24600 ng/ml，檢出限為5.2 ng/ml。已研制的Nafion/黃嘌呤氧化酶(XO)/納

11、米金膠電流型生物傳感器能快速靈敏地檢測次黃嘌呤，并且有非常低的檢測限，該生物傳感器有望實現(xiàn)對次黃嘌呤的在線測定。國內(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。 1         4 趨勢 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)獲得巨大進步。初步實驗結(jié)果表明，納米顆粒以其吸附能力強、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、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

12、檢測的靈敏度，縮短了響應(yīng)時間，實現(xiàn)了目標(biāo)物的實時檢測；延長了一些酶電極的使用壽命，降低了成本；同時使儀器向微型化發(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)的實時檢測中取得了良好的結(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，延長酶電極的使用壽命，進一步提高生物傳感器的靈敏度和響應(yīng)電流，縮短相應(yīng)時間，在納米制備方法的改進、各種形式的有機或無機納米材料的應(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，有待于工作者進行更深入地研究，以期制造出綜合型、智能型的納米儀器。 1任湘菱,唐芳瓊.超細(xì)銀-金復(fù)合顆粒增強酶生物傳感器的研究J化學(xué)學(xué)報, 2

13、002,60(3):393-397. 2Xia Zhong, Ruo Yuan., Yaqin Chai et al. Glucose biosensor based on self-assembled gold nanoparticles and double-layer 2d-network (3-mercaptopropyl)-trimethoxysilane polymer onto gold substrateJ,Sensors and Actuators B, 2005, (104): 191-198. 3Dawei Pan, Jinhua Chen, Shouzhuo Yao,e

14、t al.Amperometric glucose biosensor based on immobilization of glucose oxidase in electropolymerized o-aminophenol film at copper-modified gold electrodeJ,Sensors and Actuators B, 2005, (104): 68-74. 4Shiyi Xu, Xiaozu Han :A novel method to construct a third-generation biosensor: self-assembling gol

15、d nanoparticles on thiol-functionalized poly(styrene co-acrylic acid) nanospheresJ, Biosensors and Bioelectronics,2004, (19): 1117-1120. 5鐘霞, 歐朝鳳, 鄒建, 袁若, 柴雅琴. TiO2納米顆粒增強的過氧化氫生物傳感器J.西南大學(xué)學(xué)報(科學(xué)版), 2007,29(5): 40-43. 6Jingdong Zhang, Munetaka Oyama: A hydrogen peroxide sensor based on the peroxidase activity of hemoglobin immobilized on gold nanoparticles-modified ITO electrodeJ, Electrochimica Act