聚焦2011年度中國期刊基于功能納米材料的生物傳感器的研究進展

摘 要 近年來， 納米材料在生物傳感器領域中的應用已成為前沿性的研究方向。納米材料具有的獨特性能可將傳感器的性能提高到一個全新的水平。本文分析了2011年度中國期刊報道的有關功能納米材料在生物傳感器中應用的發展狀況， 并根據納米材料的類型對相應傳感器在生命分析中的應用進行了分類與評述， 并與國外基于功能納米材料的生物傳感器的發展趨勢進行對比， 以展望國內該領域的發展前景。

關鍵詞 功能納米材料； 生物傳感器； 評述

1 引 言

生物傳感器（Biosensors）是一門集化學、生物學、醫學、物理學、電子技術等諸多學科于一身的交叉學科[1]。近年來， 隨著納米技術（Nanotechnology）和功能納米材料（Functional nano-materials）的迅速發展， 生物傳感器的性能已提高到一個新的水平[2]。基于功能納米材料的生物傳感器呈現出體積更小、檢測速度更快、靈敏度更高和可靠性更好等優異性能， 在臨床診斷、工業控制、食品和藥物分析、環境監測以及生物技術、生物芯片等諸多領域有著十分廣闊的應用前景[3，4]。 因此， 21世紀的第一個十年被稱之為“傳感的十載” [5]。在這10年中， 該領域的發展非常迅猛， 平均每年約有2000篇相關論文在國際雜志發表， 2011年度在國際雜志刊載發表的相關論文已超過3000篇，其中包括Nature Communications， Journal of the American Chemical Society， Analytical Chemistry， Angewndte Chemie International Edition， Chemistry-A Europe Journal等知名期刊。國內相關領域的研究緊跟國際發展的步伐， 取得了較好的研究成果， 2011年度國內期刊刊載相關論文60余篇， 其中在《分析化學》和《中國科學：化學》（中英、文版）上發表論文近40篇， 在很大程度上推動了國內生命分析學科的發展。

2 基于功能納米材料的生物傳感器的研究現狀

不同納米結構材料的生物功能化是生物傳感器研究的主要亮點和重點[6]。國內在該領域的研究發展也十分迅速， 在2011年度中國期刊刊載發表基于功能納米材料的生物傳感器的論文中， 納米材料結構涉及二維納米膜[7～18]、一維納米管[19～31]和零維納米粒子[32～46]， 其中研究工作以零維納米粒子和二維納米膜居多；分析對象廣泛， 包括DNA、大腸桿菌內毒素、癌胚抗原、氨基酸、葡萄糖、酶、唾液分泌性免疫球蛋白 A、IgG、細胞＼， 基因、谷胱甘肽、過氧化氫等；傳感器類型有電化學傳感器、表面等離子共振（SPR）傳感器、石英晶體微天平（QCM）傳感器和光學傳感器， 其中多數為電化學傳感器， 在其它類型傳感器方面的探索研究還有待進一步加強。

2.1 二維納米膜

二維納米材料中最具代表性的是納米超薄膜。國內研究利用不同的制備技術（如自組裝、電化學聚合及滴涂法），制得不同的納米超薄膜，建立各種生物傳感器。如Zhang等[7]通過靜電組裝的方式將雙鏈 DNA 膜組裝到納米 SnO2半導體電極上， 然后使用一種DNA雙鏈嵌入劑， 即Ru（bpy）2（dppz）2+作為光電信號分子， 根據電極的光電信號的變化， 研究光電傳感器中納米材料對DNA的損傷， 為納米材料的毒理學研究奠定了理論基礎。劉艷等[9]利用陽離子型聚合物聚二烯丙基二甲基氯化銨（PDDA）和功能化的帶負電荷的多壁碳納米管（MWCNTs）及石墨烯（GR）之間的靜電吸附， 通過層層自組裝的方法在GCE的表面制備了均一、穩定的（PDDA/GR/PDDA/MWNTs）5 多層膜。由于GR和MWCNTs均具有良好的導電性能， 可以提高H2O2的氧化反應中電子傳遞的能力。該電極對H2O2的氧化顯示出較好的電催化活性， 對H2O2響應靈敏度高， 檢測范圍寬。在此基礎上可進一步對膜進行修飾， 如對生物分子的固定， 有望研制出靈敏度更高， 抗干擾性更好的生物傳感器。

電化學聚合法在二維膜的制備中因其簡單、快速的特性得到廣泛應用。張志軍等[10]以電化學聚合苯胺（ANI）/鄰氨基苯甲酸（OAA）， 制得在中性溶液中具有導電性的聚（苯胺-鄰氨基苯甲酸）（PAOAA）共聚物膜， 隨后負載Cu2+通過配位作用固定過氧化氫酶， 實現了蛋白的有效固定， 并保留了蛋白質的活性， 為傳感器表面生物分子的有效固定提供了新途徑。張玉雪等[11]利用循環伏安法將新蒸單體吡咯和羧基化WMCNTs聚合到電極表面， 通過生物素-親和素體系固定探針， 制備了一種電化學DNA 生物傳感器， 成功實現了對沙門氏菌毒力基因invA 的特異性基因片段的快速檢測， 在食品與環境安全、臨床基因診斷、藥物篩選分析等領域有很廣泛的應用前景。Zhang等[12]在玻碳電極（GCE）表面電聚合了一層鄰氨基苯甲酸， 通過共價方法將抗-CEA（Ab1）捕獲在聚合物膜表面。固定有Ab1的電極和結合有堿基磷酸酶標記的抗-CEA（Ab1）的金納米粒子（AuNPs）復合物， 實現了對CEA的雙催化信號放大的夾層檢測法， 分析靈敏度提高了近百倍， 實現了CEA的高靈敏度電化學檢測。

滴涂法也是二維膜材料制備過程中常見的方法之一。汪紅梅等[15]依據慢性粒細胞白血病BCR/ABL融合基因的堿基序列， 設計了一種新型發夾結構鎖核酸（LNA） 探針， 將該探針滴涂在金電極表面形成一超薄LNA探針膜層， 對慢性粒細胞白血病基因片段表現出良好的電化學響應信號， 有望在臨床慢性粒細胞白血病基因的早起診斷中得到應用。

在2011年度國內基于二維功能納米膜作為分子識別元件在生物傳感器中的應用的研究工作中， 二維納米膜的制備方法多以電聚合和滴涂法為主， 只有很少一部分工作使用自組裝的方法制備二維納米膜。然而， 自組裝是目前制造納米材料最方便、最普遍的途徑之一， 特別對于制造結構規則的功能納米材料， 自組裝已經顯示出獨一無二的優越性。因此， 今后應加強研究自組裝功能納米材料在生物傳感器領域中的應用研究。

2.2 一維納米線、納米棒和納米管

納米線和納米棒以其優越的光學性能、電學性能以及力學性能等特性引起了物理界、化學界及材料界科學家的普遍關注。但是， 由于納米線和納米棒的制備工藝相對較復雜， 使其在生物傳感器領域的應用遠不如二維納米膜和零維納米粒子廣泛。目前， 國內在這方面的研究報道較少。在納米管的研究中， 以碳納米管（CNTs）的研究最為熱門。王艷等[20]將殼聚糖分散的羧基化的MWCNTs吸附到GCE表面， 利用靜電吸附和Au-N、 Au-S共價鍵作用， 將陽離子電子媒介體硫堇和AuNPs層層組裝到電極表面， 通過AuNPs單層吸附唾液分泌性免疫球蛋白 A（sIgA）， 構建了一種準確性和穩定性均較好的檢測唾液sIgA的新型納米免疫生物傳感器；Tu等[21]利用金屬鎳的螯合物功能化的瓊脂糖/MWCNTs復合物， 通過親和作用固定高靈敏的辣根過氧化物酶（HRP）， 建立了檢測兒茶酚的安培生物傳感器， 為HRP生物傳感器測定高毒性的酚類污染物提供了理論依據。姜煒等[22]構建了基于金納米粒子/聚阿魏酸/多壁碳納米管（AuNPs /PFA/MWCNTs）修飾電極的DNA計時庫侖法生物傳感器， 檢出限為3.5×10

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