纳米颗粒在电化学生物传感器中的应用研究
刘阳 2009-07-10
摘 要：纳米技术介入生物传感器的研究领域具有非常重要的意义。简要介绍了电化学生物传感器的工作原理，着重讨论了纳米颗粒在电化学生物传感器中的研究进展，并论述了这一领域的发展趋势。
关键词：纳米颗粒; 电化学生物传感器; 酶电极
1 引言
生物传感器是用固定化的生物活性成分为敏感元件与适当的能量转换器件结合而成的传感装置，用以测定一种或几种分析物的含量。生物传感器是多学科交叉的产物，是一种全新的检测技术，在生命科学、临床诊断、环境监控以及过程控制等各种领域都有所应用。生物传感器与传统的检测手段相比，具有高专一性和灵敏度，响应时间快的明显优势，但对于实现在线、实时检测的要求仍有一定差距。
纳米技术主要是针对尺度为 1~100nm 之间的分子世界的一门技术，是21世纪最前沿的两大学科之一。纳米颗粒处在宏观体系和微观体系之间的过渡区域，是由数目极少的原子或分子组成的原子群。纳米颗粒的特殊结构使其具有微尺寸效应、表面效应、量子效应和宏观量子隧道效应，并由此引起力学、电学、磁学、热学、光学和化学活性等方面的特殊性质。它具有比表面积大、表面活性中心多、催化效率高、吸附能力强、表面活性高等优点而被用于电化学生物传感器的研究，以提高灵敏度和缩短反应时间。
2 电化学生物传感器
电化学生物传感器是以酶、微生物、抗原或抗体、细胞、动植物组织为敏感膜，以将生物量转换为电信号的电化学电极为转换器组成的装置。根据其产生电信号的类别，可分为电流型和电位型两大类。目前研究较多的是各种酶电极。
酶电极就是利用酶对生化反应催化的单一性目标物质进行检测。在绝大多数情况下，生物酶会保持极大的选择性。通常在生物酶的催化下发生如下的生化反应：
式中，S1为目标物，S2为媒介物，P1为生成物1，P2为生成物2。当目标物S1的浓度不能被直接检测时，可以通过检测媒介物S2的减少量(或P1、P2的生成量或生成速度)来获得目标物的浓度。
3 研究现状
3.1 纳米颗粒用作抗干扰剂
长期以来，减小共存电活性物质，特别是抗坏血酸(AA)的干扰是葡萄糖生物传感器研究的重点。最近，研究人员将MnO2纳米颗粒溶于壳聚糖溶液中，电沉积在葡萄糖氧化酶(GOD)修饰的电极表面，形成一层氧化物薄膜。这样制得的生物传感器可以很好地消除AA的干扰，而对葡萄糖的测定没有影响。
3.2 纳米颗粒标记
许多文献报道了胶体金在各种生物传感器中的信号放大作用。首先把生物素化的白蛋白吸附在电极表面，再与10 nm直径胶体金标记的亲和素反应，由胶体金引起的电流响应与亲和素浓度在一定范围内线性相关。纳米颗粒也可以用来定位肿瘤，荧光素标记的识别因子，与肿瘤受体结合，可以在体外用仪器显影确定肿瘤的大小和位置。另一个重要的方法是用纳米磁性颗粒标记识别因子，与肿瘤表面的靶标识别器结合后，在体外测定磁性颗粒在体内的分布和位置，从而给肿瘤定位。
3.3 纳米颗粒用作固定载体
在生物传感器的研制中，人们尝试用多种新方法来固定酶，以期达到实用的要求。纳米颗粒比表面积大、吸附能力强，可以很牢固地吸附酶等生物大分子，增加酶的吸附量和稳定性，且蛋白质等物质吸附在纳米金属颗粒的表面上仍能保持生物活性。
（1）纳米颗粒在GOD电极中的应用。
用超细颗粒固定化酶是传感器研制中最有前途的方法。早期的研究主要集中于单一纳米颗粒，后来发展为将复合纳米颗粒应用于GOD和其它酶电极中。
①复合纳米颗粒的应用。
任湘菱用憎水银-金纳米颗粒进行GOD的固定化研究表明：憎水银-金纳米颗粒可以显著提高GOD酶电极的响应灵敏度。这主要是由于：(1)金属纳米颗粒本身就具有催化活性：当金属原子簇所包含的原子数少到一定数目时，颗粒本身具有从周围体系中吸取电子而被还原的特性。因而在GOD酶反应中纳米颗粒迅速地从被还原的GOD(FADH2)获取电子而使GOD重新具有氧化性，这样就加速了酶的再生速度；(2)纳米颗粒表现出显著的不同于块体材料的特性，其非常大的表面积和较高的表面自由能使得大量GOD牢固吸附在纳米颗粒表面，在一定程度上钝化了酶的构型，使其不易发生进一步的变化而失活，增加了酶的稳定性和催化活性。
将纳米憎水Si02和亲水Au组成的复合纳米颗粒固载GOD构建的传感器，可以保持GOD的活性和延长酶电极的寿命，其效果明显优于这两种纳米颗粒单独使用时对GOD电极响应性能的增强作用。主要原因是复合纳米颗粒比单一纳米颗粒更易于形成连续势场，降低电子在电极和固定化酶之间的迁移阻力，提高电子迁移率，有效地加速了酶的再生过程，所以复合纳米颗粒显著增强了传感器的电流响应，提高了传感器分析葡萄糖的灵敏度。
②纳米颗粒与修饰电极联用。
钟霞等人用(3-巯基丙基)-三甲氧基硅烷凝胶溶胶修饰的金电极表面自组装纳米金和GOD。研究表明，纳米金可与巯基结合，形成牢固的共价键，增加了其固化GOD的稳定性而不影响其活性；纳米颗粒增加了三维电极的有效固定面积，可以结合更多的GOD，使得检测下限延长；同时纳米金的存在加快了GOD活性中心FDA/FDAH2与金电极表面的氧化还原反应，因此制成了高灵敏度的生物传感器。
研究分析，在纳米铜修饰的金电极上以邻胺基苯酚聚合物固载GOD制成的电极，纳米铜加入后对葡萄糖的检出线低2倍，最大响应电流高3倍，灵敏度提高了2.5倍。
（2）纳米颗粒在辣根过氧化酶(HRP)电极中的应用。
将巯基化的苯乙烯丙烯酸共聚物修饰的金电极自组装纳米金颗粒和HRP，获得的传感器在没有电子媒介体的情况下仍具有很强的电催化响应信号，并且该传感器在使用60天后仍具有98.7%的生物活性，显示了很高的可重复利用率。
采用TiO2纳米颗粒与聚乙烯醇缩丁醛作为固酶基质，用凝胶溶胶法固定HRP，构成过氧化氢生物传感器。实验结果表明，纳米TiO2颗粒的引入明显提高了HRP对H2O2的响应电流。
研究还发现，将TiO2纳米颗粒溶液与HRP混合，涂覆在热碳电极上，挥去溶剂后成为固载HRP的TiO2膜。纳米TiO2颗粒大的表面积保证了膜的稳定性，其良好的生物兼容性使酶保持原有的结构和电催化活性，并为酶和电极之间电子传递提供了最适的微环境。HRP-TiO2膜的这些特点具有广泛的应用价值。
利用纳米金、HRP、壳聚糖和戊二醛的混合溶液，在玻碳电极表面形成稳定固载HRP的壳聚糖膜。纳米金与HRP形成静电复合物，防止了HRP从壳聚糖膜中泄漏并提供适应酶所需的微环境，保持了HRP的生物活性。
另外，利用血红素(Hb)代替HRP，将其固定到纳米金修饰的电极表面。由于纳米金的存在加快了电子传递过程，复合电极对H2O2有很强的还原作用，且稳定性好。也有人用纳米ZrO2/DMSO(二甲亚砜)膜为基质，将Hb固定到PGE表面，保持了其原有的构型和催化活性，且电极在74℃的高温下稳定。
（3）纳米颗粒在其它酶电极中的应用。
将巯基乙胺固载到玻碳电极表面，进而化学吸附纳米金，并通过半胱氨酸用戊二醛作交联剂，将白喉抗体固定在玻碳电极上，制得的电位型免疫传感器灵敏度高，对白喉类毒素检测的线性范围是24~600 ng/ml，检出限为5.2 ng/ml。已研制的Nafion/黄嘌呤氧化酶(XO)/纳米金胶电流型生物传感器能快速灵敏地检测次黄嘌呤，并且有非常低的检测限，该生物传感器有望实现对次黄嘌呤的在线测定。国内外研究人员还用纳米金胶吸附XO、牛碳酸脱水酶并电沉积在基础电极(如铂和玻碳电极)上制成不同的电流型生物传感器。 4 发展趋势
近年来，将各种纳米颗粒应用于电化学生物传感器的研究，正引起人们极大的兴趣，并使传感器技术获得巨大进步。初步实验结果表明，纳米颗粒以其吸附能力强、生物兼容性好、催化效率高等优良性质，在生物标记、放大信号、消除干扰和多种酶的固定化技术中得到了广泛地应用：大幅度提高了检测的灵敏度，缩短了响应时间，实现了目标物的实时检测；延长了一些酶电极的使用寿命，降低了成本；同时使仪器向微型化发展成为可能。
但也不难看出，目前的研究工作仅在少数几种物质的实时检测中取得了良好的结果，而且所使用的纳米颗粒的种类也很有限。为了最大程度地保持酶的生物活性，延长酶电极的使用寿命，进一步提高生物传感器的灵敏度和响应电流，缩短相应时间，在纳米制备方法的改进、各种形式的有机或无机纳米材料的应用、特殊结构和材料的电极的研制等方面，仍有较大的发展空间，有待于科学工作者进行更深入地研究，以期制造出综合型、智能型的纳米仪器。
参考文献
［1］任湘菱，唐芳琼.超细银-金复合颗粒增强酶生物传感器的研究［J］化学学报， 2002，60(3):393-397.
［2］Xia 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 substrate［J］，Sensors and Actuators B， 2005， (104): 191-198.
［3］Dawei Pan， Jinhua Chen， Shouzhuo Yao，et al.Amperometric glucose biosensor based on immobilization of glucose oxidase in electropolymerized o-aminophenol film at copper-modified gold electrode［J］，Sensors and Actuators B， 2005， (104): 68-74.
［4］Shiyi Xu， Xiaozu Han :A novel method to construct a third-generation biosensor: self-assembling gold nanoparticles on thiol-functionalized poly(styrene co-acrylic acid) nanospheres［J］， Biosensors and Bioelectronics，2004， (19): 1117-1120.
［5］钟霞， 欧朝凤， 邹建， 袁若， 柴雅琴. TiO2纳米颗粒增强的过氧化氢生物传感器［J］.西南大学学报(自然科学版)， 2007，29(5): 40-43.
［6］Jingdong Zhang， Munetaka Oyama: A hydrogen peroxide sensor based on the peroxidase activity of hemoglobin immobilized on gold nanoparticles-modified ITO electrode［J］， Electrochimica Acta， 2004， (50): 85-90.
［7］Songqin Liu， Zhihui Dai， Hongyuan Chen et al. Immobilization of hemoglobin on zirconium dioxide nanoparticles for preparation of a novel hydrogen peroxide biosensor ［J］Biosensors and Bioelectronics， 2004， (19): 963-969.
