構建生物傳感器的新材料
——納米氧化鋅

呂法煜，李德有

(焦作市技師學院，河南焦作 454002)

1 引言

生物傳感器研究起源于20世紀的60年代，1967年 Updike等［1］把葡萄糖氧化酶 (GOD)固定化膜和氧電極組裝在一起，制成了第一種生物傳感器，即葡萄糖酶電極。此后，隨著生物、化學、物理學、醫學、電子技術等的迅速發展，各種類型的生物傳感器相繼出現;到80年代，生物傳感器已成為電化學分析和生物技術研究最為活躍的領域之一。

生物傳感器研究經歷了三個階段，第一代傳感器以酶的天然介體——氧來作為酶與電極之間的電子通道，直接檢測酶反應底物的減少或產物的生成。這類傳感器的檢測結果受到很多因素的影響，如氧分壓、氧溶解濃度、H2O2的過電位過高等。

70年代以后，人們開始用小分子的電子媒介體來代替氧溝通酶活性中心與電極之間的電子通道，通過檢測媒介體的電流變化來反映底物濃度的變化，這種傳感器被稱為第二代生物傳感器。常用的電子媒介體有鐵氰化鉀/亞鐵氰化鉀、二茂鐵及其衍生物、染料分子、Ru、Os的化合物、金屬酞菁等。

第二代傳感器與第一代傳感器相比具有許多優點，但酶與電極間還不能直接進行電子轉移。直接電子轉移才是生物傳感器的發展目標，因為酶與電極之間的直接電子轉移與氧和其他電子受體無關，無外加毒性物質。這種利用自身與電極間的直接電子轉移來完成信號轉換的生物傳感器被稱為第三代生物傳感器。Koopal［2］的一系列工作為這種傳感器奠定了一定的基礎，他們采用獨特的方式將GOD固定在聚吡咯中。許多基于過氧化物酶直接電化學的檢測過氧化氫和有機過氧化物的第三代生物傳感器相繼被制備出來［3-4］。

目前，基于納米材料的第三代生物傳感器己成為一個研究亮點。納米材料量子尺寸效應和表面效應，可把傳感器的性能提高到新水平，使其不僅體積小，而且速度快、精度高、可靠性好，還能實現多功能化和選擇性檢測。

ZnO是一種ⅡB-ⅥA族直接寬帶隙(帶隙3.37 eV)半導體材料，由于其具有奇特的光學和電學方面的性能，近年來得到了廣泛的研究，如在光電器件［5］、電子器件［6］、化學傳感器［7］、太陽能電池等方面的應用［8］。納米尺度的ZnO具有較好的電子傳導能力，具有高等電點(IEP=9.5)，與蛋白質或者生物細胞等生物材料有極好的兼容性，安全無毒，很適合用來吸附低等電點的蛋白質，這些優點是其他納米材料所無法比擬的，完全符合構建生物傳感器對載體材料的特殊要求。因此納米結構 ZnO的優良特性與傳感器制備技術的結合，不僅拓寬了納米半導體材料的應用領域，也促進了生物傳感器技術的發展。

2 納米結構氧化鋅合成方法的多樣性

在合成ZnO納米材料方面，已有大量的研究。目前合成ZnO一維納米材料的方法很多，包括氣相傳輸法［9］、金屬有機氣相外延生長［10］、水熱合成法［11］和電化學沉積法［12］。其中氣相傳輸法和水熱法是兩種廣泛使用的方法，氣相傳輸法在不同條件下可合成多種形貌的納米結構氧化鋅，而水熱法更有利于得到形貌均一的一維或零維氧化鋅納米結構。納米氧化鋅合成方法的多樣性為生物傳感器構建工藝提供了更廣闊的選擇性，將不同的合成氧化鋅納米方法與生物傳感器構建方法有機結合，可有效的優化傳感器的構建工藝，更好的保持生物分子的生物活性，提高生物傳感器的性能。

3 納米結構氧化鋅的形貌多樣性

ZnO是唯一一種表現出半導體性質、電極化性質和熱電性質等多重性質的材料。它擁有非常豐富的形貌，使用不同的合成技術，可以在不同條件下合成ZnO納米梳狀結構、納米環狀結構、納米螺旋結構、納米弓形結構、納米帶、納米線和納米籠等結構［13］。這些獨特的納米結構表明ZnO在結構和特性上是所有材料中納米結構最富有的家族之一。

多樣性的氧化鋅納米結構為其在生物傳感器應用方面提供了更大的靈活性，不同的形貌適合于構建不同類型和功能的傳感器，選擇合適的生物分子與合適形貌的氧化鋅納米結構，可以更高效地構建生物傳感器，實現生物傳感器的特定傳感功能。

4 納米結構氧化鋅晶體結構和光學性質

通常ZnO的穩定相為六角纖鋅礦結構，屬6 mm點群，其晶格常數 a=0.325 nm，c=0.521 nm，c/a=1.662，比理想的六角緊密堆積的 1.633稍小。在ZnO晶格中，鋅原子和氧原子占據層交錯排列，其晶體結構模型如圖1(a)所示［14］。

圖1 ZnO晶體結構模型

納米結構氧化鋅的光致發光熒光光譜(PL)如圖2所示。

圖2 氣相傳輸法制備的氧化鋅納米棒PL譜

從圖2中看出，在378 nm處ZnO有一個很強的紫外發射峰，該發射峰來自于ZnO的帶邊激子復合［15］。另外可以在515 nm處觀察到一個稍不明顯的、寬泛的可見光峰，該峰來自于電子從單離子氧缺陷態轉移至價帶的光激發空穴的過程［16］。

氧化鋅晶體的極性結構使其具有高等電點，這使氧化鋅納米結構的表面帶有較密集的正電荷，為生物分子在其表面組裝提供了有利的靜電電性條件。納米結構氧化鋅PL譜中，尖銳的紫外發射峰和寬泛的缺陷深能級發射峰易于探測，可方便地對氧化鋅納米結構進行熒光測定，在納米結構氧化鋅標記生物分子進行光學檢測方面具有潛力。同時也為氧化鋅納米結構在生物傳感器方面的應用開辟了新的途徑。

5 納米氧化鋅在生物傳感器上的應用研究

1980年，Esser等［17］研究了ZnO單晶表面對過氧化氫的物理吸附規律，成為ZnO生物化學傳感器研究的開端。

1993年，Nanto等［18］制作了鋁摻雜 ZnO薄膜的氣體傳感器，用于測定食物的新鮮度。由此，ZnO傳感器的應用開始大規模的展開。

2001 年，Enunanuel Topoglidis 等［19］在 TiO2及ZnO膜上修飾了蛋白質并測試了修飾后的電化學特性，出現了一個還原峰，如圖3所示。

圖3 TiO2及ZnO膜修飾后的電化學特性

2005年，張成林等［20］制作了氧化鋅納米棒修飾的玻碳電極，并研究了在此電極上修飾蛋白質后的電化學行為。其研究表明，血紅蛋白和細胞色素c能在被修飾的電極上被氧化，而且氧化電流與所分析的溶液濃度成線性關系，其檢測結果如圖4所示。

圖4 玻碳電極修飾蛋白質后的電化學特性分析

2006年 Nitin Kumar等［21］用氧化鋅納米棒陣列修飾DNA，利用氧化鋅的熒光性質進行DNA片斷序列檢測。傳感器的組裝和檢測示意圖見圖5。

圖5a是同時進行的納米氧化鋅的合成與條狀圖案化組裝示意圖，b中左圖是組裝后的納米氧化鋅條狀圖案的SEM照片，照片中條紋間隔約為50 μm，插圖是條狀圖案中間的平伏的氧化鋅納米結構。右圖是直接合成的條狀圖案的共焦顯微鏡照片，照片中沒有熒光產生。c是檢測示意圖，聚二甲基硅烷(polydimethylsiloxane，PDMS)用來把生物分子在同一氧化鋅陣列上同時進行特異性結合反應，寡核苷酸探針bce和bas被首先特異性地分別連接到腔體1和腔體2中，熒光素標記的basr片段被同時加到兩個腔室中，在相同的條件下使DNA片段間進行特異性連接。用共焦顯微鏡檢測可明顯的看到腔室2中有熒光而腔室1中沒有，左下角插圖是兩種腔室經過特異性反應后的日光照片。當DNA交連了bas和basr后腔室2能觀察到明顯的熒光，由于DNA對bce和basr的交連效果很差，所以在腔室1中幾乎不能觀察到熒光現象。在腔室2中觀察到的熒光的條紋圖案與納米氧化鋅構建的條紋圖案幾何形狀完全相同。

圖5 傳感器組裝和檢測示意圖

同年，Wei［22］報道了基于GOD固定在氧化鋅納米棒陣列上的葡萄糖傳感器。施加電壓0.8 V(vs Ag/AgCl)，傳感器表現出很高的靈敏度和重現性，線性范圍0.01～0.345 mmol/L，CV曲線如圖6。

圖6 葡萄糖傳感器CV曲線

2008年，Chen L Y 等［23］研制了一種不要中間介體的生物傳感器，低等點的酪氨酸酶通過靜電作用吸附在高等電點的氧化鋅納米棒上，再通過由Nafion形成的膜固定在玻炭電極上，并且固定的酪氨酸酶很大程度上保持了生物活性，如圖7，CV曲線顯示固定在納米氧化鋅棒上的酪氨酸酶對苯酚有良好的催化活性。

圖7 不要中間介體的生物傳感器CV曲線

2009年，徐春祥等［24］制備了金絲電極原位生長的氧化鋅納米棒，并多層修飾辣根過氧化物酶。辣根過氧化物酶在電極上直接進行電子傳遞，并顯示出對過氧化氫具有良好的催化活性，不同層數辣根過氧化物酶對過氧化氫的催化性能如圖8的I-t曲線。

圖8 不同層數辣根過氧化物酶對過氧化氫的催化性能曲線

6 展望

納米結構氧化鋅在制備方法、結構、形貌、性質等方面具有獨特的優點，多種工藝條件的合成方法為生物傳感器構建工藝提供了更廣闊的選擇性;極其豐富的形貌為其在生物傳感器應用方面提供了更大的靈活性;極性的結構為生物分子在納米結構氧化鋅表面的組裝提供了方便可靠的途徑;典型且易于探測的光譜學性質為納米結構氧化鋅作為生物分子標記物提供了方便易得的檢測方法。因此，納米氧化鋅電化學生物傳感器將是極有前途的生物傳感器。

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