国外纳米生物传感器研究新进展

国外纳米生物传感器研究新进展

■ 文/冯瑞华

中国科学院武汉文献情报中心 中国科学院国家科学图书馆武汉分馆

生物传感器是对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器，是由固定化的生物敏感材料作识

（包括酶、抗体、抗原、微生物、别元件

感器等几个方面，简介纳米生物传感器在国外的最新研究进展。

显微镜针尖来滴定酸性或碱性基团。纳米管羧基化后可以进一步衍生化，实现与酶、抗原/抗体和脱氧核糖核酸

一、纳米管生物传感器

纳米管可以保持生物分子的活性和提高分子的固定效率，可以改善生物传感器的性能。碳纳米管有着优异的表面化学性能和良好的电学性能，是制作生物传感器的理想材料。无论是单壁碳纳米管还是多壁碳纳米管在生物传感器中都有应用，如利用碳纳米管改善生物分子的氧化还原可逆性、利用碳纳米管降低氧化还原反应的过电位、利用碳纳米管固定化酶、利用碳纳米管进行直接电子传递、用于药物传递和细胞病理学的研究等。碳纳米管还适用于做原子力显微镜的探针尖，在碳纳米管顶端修饰上酸性基团或碱性基团，就可以作为原子力

（DNA）等分子的结合，制备出各种生物传感器。

美国斯坦福大学和伊利诺大学科研人员开发出了对过氧化氢敏感的纳米管，当它与葡萄糖接触时，将产生数量可变的过氧化氢，过氧化氢会使纳米管的光学性质发生变化，因此，产生的过氧化氢越多，纳米管在暴露于近红外激光下时所发出的荧光就越强。这种碳纳米生物传感器可监测血液中的葡萄糖水平，使得糖尿病人无须通过手指采血便能够检查自己的血糖水平。

美国宇航局艾姆斯研究中心利用碳纳米管技术开发出一种新型生物传感器，可以探测水和食物中极其微量的特殊细菌、病毒、寄生虫等病原体。这种新

细胞、组织、核酸等生物活性物质）与

（如氧电极、光敏适当的理化换能器

管、场效应管、压电晶体等等）及信号放大装置构成的分析工具或系统。纳米技术是用单个原子、分子制造物质的科学技术，将纳米技术引入生物传感器领域后，提高了生物传感器的检测性能，并促发了新型的生物传感器。纳米生物传感器是纳米科技与生物传感器的融合，其研究涉及到生物技术、信息技术、纳米科学、界面科学等多个重要领域，因而成为国际上的研究前沿本文主要从纳米管生物传感和热点[1]。

器、半导体纳米材料生物传感器、光纤纳米生物传感器以及DNA纳米生物传

Advanced Materials Industry

型生物传感器利用超灵敏的碳纳米管制成，可以探测到含量极低的病原体。

日本三美电机与北海道大学共同研究开发碳纳米管场效应晶体管（CNT-FET）生物传感器，除了与现行

（ELISA）相比能以高出的酶联免疫法

（coxsackie-adenovirus）受体腺病毒

（CdTe）量子点制备出的生物荧光探镉

的共价官能团可作为生物传感器，专门检测腺病毒中的蛋白质。分子动力学实验表明，柯萨奇腺病毒受体与碳纳米管键合后仍能保持其生物活性[2]。

针，可用于食品、环境等目标分析物的高灵敏检测[3]。

美国耶鲁大学的研究人员，利用常规制备方法制造出基于硅的纳米生物传感器，灵敏度好，该项技术将可以

3～4位数的灵敏度检测出病毒外，还可用作 “现场检测”的便携检测工具。日本三美电机公司的CNT-FET是将在硅底板上通过CVD法形成的直径为1nm的单层碳纳米管作为通道使用。在栅电极上预先附着特定的病毒抗体，病毒抗原接触栅电极时与抗体结合，通过CNT-FET的阈值电压变化把此时的栅电位变化检测出来，病毒抗原与抗体结合时的阈值电压的变化量高达数伏，灵敏度非常高。

美国伊利诺大学香槟分校研究人员将碳纳米管技术与DNA相结合，创造出一种可以探测微量互补性DNA的生物传感器，这项工作为新型的基于纳米管的传感和测序技术提供了众多可能性。

以色列特拉维夫大学的研究人员利用自组装的缩氨酸纳米管制出电化学生物传感器，研究发现这种纳米微管可使现有传感设备灵敏度提高许多倍。该研究的关键是研发出新方法将特定生物媒介连接上纳米管，将新功能与纳米管原本的特性结合，作为制造先进生物传感器的基础。

美国太平洋西北国家实验室的科学家，使用静电吸引把敏感的生物分子进行分层，在一根长长的像面条似的聚合物分子帮助下，使生化酶一层层地自我组装在一根碳纳米管上，形成葡萄糖酶生物传感器。这种传感器可用于超精密的血糖检测。

美国宾夕法尼亚大学的研究人员最近的实验表明，碳纳米管与柯萨奇

二、半导体纳米材料生物传感

器

纳米半导体除具有纳米材料所共有的特殊性质外，还有其自身的特性，如介电限域效应、催化性质、光吸收以及光电化学特性等，因此，在传感器研制方面显示了广阔的应用前景。半导体纳米线可以被任何可能的化学或生物识别分子所修饰，以一种极度敏感、实时和定量的方式将发生在它表面上的化学键合事件转换成纳米线的电导率。研制纳米导线是制造大多数纳米器件和装置的关键，对半导体硅和化学敏感的氧化锡及像氮化稼等发光半导体，都能制成纳米导线。掺硼的硅纳米线己经被用来制作高度敏感、实时监测的传感器，用于检测抗生物素蛋白等生化物质的浓度等。

近来，量子点用于生物传感器的研究备受关注。量子点是显示量子尺寸效应的半导体纳米微晶体，其尺寸小于相应体相半导体的波尔直径，通常在2～20nm。量子点可用于细胞内的检测，相比于传统的荧光分子，量子点有3个主要的优点：量子点的发光波长可以简单地通过调节其直径大小而改变，这对应用非常重要；另外，量子点的发光波长比较窄，效率较高；更为重要的是，量子点没有光漂白效应。这3个优点使量子点在生物分子探针和生物传感器领域具有巨大的应用潜力。目前关键的问题在于如何对量子点表面进行有效的生化修饰,印度中央食品技术研究所研究人员利用碲化

使制造纳米生物传感器和普通电子传感器一样容易，在理论上使纳米传感器可以进行大量生产。研究人员采用一种良好的晶片和具有缓慢作用的溶剂，使利用传统方法制作出的纳米线更加光滑和精确。研究人员在抗体或者其它生物分子上覆盖了一层直径为30nm的纳米线，使其能够捕获特定种类的蛋白质，由于堆积的蛋白质很容易影响通过纳米线的电流，因此传感器能够探测到这一变化。该传感器不仅能在数秒内探测到1mm3流体中的3万个自由蛋白质分子，还能通过与抗体结合时释放出的酸来识别免疫细胞。

日本广岛大学作为以构筑半导体与生物融合技术为目的的研究教育机

“纳米元件与生构，2008年5月创立了

物融合科学研究所”，推进的 “半导体与生物融合集成技术项目”，力争开发“可吞服生物传感器”，2015年之前实现 “可吞服生物传感器”技术。生物传感器中采用了纳米线场效应晶体管，开发出了使硅和有机材料稳定结合的蛋白质，并使用这种蛋白质试制出利用半导体电路的生物传感器，确认了该生物传感器的基本动作。比如，证实了在硅纳米线场效应晶体管的纳米线上固定这种蛋白质时，随着有机材料的结合可以使电流发生变化；另外还证实，使用基于量子点的浮游栅极型金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），可以检测出微弱荧光。

美国南加州大学研究人员利用氧

（In纳米线制备出一种纳米生化铟2O3）

新材料产业 NO.5 201065

选择性、成本、易用性中—灵敏度、

和速度—均可得到较好的结果。

共价键合或化学吸附固定在固体电极表面，加上识别杂交信息的电活性指示剂 （称为杂交指示剂），共同构成检测特定基因的装置。其工作原理是：利用固定在电极表面的某一特定序列的ssDNA与溶液中的互补序列DNA的特异识别作用 （分子杂交）形成双链DNA （dsDNA），借助能识别ssDNA和dsDNA的杂交指示剂的电化学响应信号的改变来达到检测基因是否存在，从而达到定性的目的；同时，当互补序列DNA的浓度发生改变时，指示剂嵌入后的响应信号也会发生响应变化，一定范围内，指示剂的响应信号与待测DNA物质的量浓度成线性关系，从而得以检测基因含量，达到定量的目的[7]。

美国坦普尔大学研究人员利用基因工程技术研制出的生物传感器，利用基因工程技术，先将哺乳动物的嗅觉信号系统引入一种酵母菌株中，然后再将一嗅觉信号系统与绿色荧光蛋白的表达联系起来。一旦发现爆炸物，传感器会发出绿色荧光。将来这种生物传感器还可用于探测地雷和沙林毒气等致命物质。

美国圣地亚国家实验室将自组装纳米晶导入到薄膜内，通过控制纳米晶架构，使之自动组合以包围活细胞，经过基因处理后，能够在感应到特殊毒素时生出荧光。通过最近一次太空试验，研究人员研制出了可以利用活细胞检测到有害化学物和毒素的生物传感器。

物传感器，并开发一种校准纳米生物传感器反应的分析方法，明显优于利用传统晶体管模型的分析方法，这种方法能更好地抑制设备到设备的变化，可允许使用更多的纳米传感器阵列[4]。

2.光纤纳米免疫传感器

免疫传感器是指用于检测抗原抗体反应的传感器，根据标记与否，可分为直接免疫传感器和间接免疫传感

三、光纤纳米生物传感器

随着纳米光纤探针和纳米敏感材料技术逐步成熟，运用纳米光纤探针和纳米级识别元件检测微环境中的生物、化学物质已成为可能，运用这种高度局部化的分析方法，能够监测细胞、亚细胞等微环境中各成分浓度的渐变以及空间分布。光纤纳米生物传感器主要有光纤纳米荧光生物传感器、光纤纳米免疫传感器等，具有体积微小、灵敏度高、不受电磁场干扰、不需要参比器件等优点，使对单细胞内结构、物质的在体测量成为可能，还有望直接监测发生细胞核内的分子事件[5]。

器；根据换能器种类的不同，又可分为电化学免疫传感器、光学免疫传感器、质量测量式免疫传感器、热量测量式免疫传感器等。光学免疫传感器是将光学与光子学技术应用于免疫法，利用抗原抗体特异性结合的性质，将感受到的抗原量或抗体量转换成可用光学输出信号的一类传感器，这类传感器将传统免疫测试法与光学、生物传感技术的优点集于一身，使其鉴定物质具有很高的特异性、敏感性和稳定性。而光纤纳米免疫传感器是在光学免疫传感器基础上将敏感部制成纳米级，既保留了光学免疫传感器的诸多优点，又使之能适用于单个细胞的测量。

新加坡南洋理工大学的研究人员构建出一种光纤纳米生物传感器，可成功检测出一般癌症的生物标志物和单细胞水平的端粒酶。这种光纤纳米生物传感器的纳米探针由特定的抗体固定，插入到人乳腺癌MCF-7细胞核中直接捕捉端粒酶，然后利用体外酶免疫法获得敏感的单个活细胞检测。并且，此种光纤纳米生物传感器可用于检测单个活细胞内的其他低表达蛋白质[6]。

1.光纤纳米荧光生物传感器

一些蛋白质类生物物质自身能发荧光，另一些本身不能发荧光的生物物质可以通过标记或修饰使其发荧光，基于此，可构成将感受的生物物质的量转换成输出信号的荧光生物传感器。荧光生物传感器测量的荧光信号可以使荧光猝灭，也可以使荧光增强；可测量荧光寿命，也可测量荧光能量转移。光纤纳米荧光生物传感器具有荧光分析特异性强、敏感度高、无需用参比电极、使用简便、体积微小等诸多优点，具有广泛的应用前景。

美国杰克逊州立大学的研究人员制备出基于金纳米粒子的、小型化的、超灵敏的、激光诱导荧光光纤生物传感器，用来检测DNA分子，荧光信号的出现表明目标DNA已检测到，并且几个病原体也可同时检测到。这种便携式传感器在所有重要类别的DNA检测

四、DNA纳米生物传感器

电化学DNA传感器以DNA为敏感元件，将DNA固定在用作换能器的电极上，并通过电极使与DNA、核糖核酸、药物、化合物、自由基等相互作用的生物学信号转变成可检测的光、电、声波等物理信号。电化学DNA传感器利用单链DNA作为敏感元件，通过

如果生物传感器能继续有效，就将利用它来开发能用于战场勘测的感应技术。

英国朴次茅斯大学的Keith Firman博士等研究人员共同研制开发出一种基于DNA的转换器，名为DNA制动器或分子发电机。这个DNA制动器的组成包括一组固定在极小芯片上的DNA、一个带有磁性的珠子、一个提

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供动力的生物发动机—通过活的生物细胞三磷酸腺苷 （ATP）所发出的能量提供动力。这些组件在一起工作时能够创造出发电机的效果，然后再转化成电流，最终，安装了这种DNA制动器的装置发出电子信号—这些信号再被传送给计算机。于是，这个DNA制动器就通过电子信号，将生物世界和硅元件世界联系在一起。除了能在计算机上使用外，这个DNA制动器还能用于毒素的快速检测。此外，它还可用于生化防卫，作为一种生物传感器探测空气中是否存在病原体。

近来，将寡核苷配体作为 “生物识别元件”用于生物传感器受到强烈关注。寡核苷配体生物传感器已被成功用于多种检测技术中，如 “石英晶体微平衡”（QCM）与 “表面等离子振子共振”（SPR）就是两种被广泛应用的传导和测定非标记寡核苷配体的技术。美国开发出的一种寡核苷配体传感器，是由两种寡核苷配体组成的 “三明治构型”，并利用 “阻抗光谱法”来测定寡核苷与免疫球蛋白E的敏感反应。由于寡核苷分子能产生可测定的对应于参考文献

[1]樊春海.纳米生物传感器.世界科学，2008（11）：21-22.

被分析物的信号变化，故寡核苷配体可作为电化学法的 “信号灯”。用 “二茂铁”标记的寡核苷配体信号灯生物传感器可用于测定凝血酶，而以电化学寡核苷配体为主要成分的 “信号灯”可用于检测血样中的可卡因成分。

比利时鲁汶大学研究人员利用纳米交叉阵列制备出一种新型蛋白质传感器，该传感器能够检测到浓度低于1ng/ml的典型抗体免疫抑制剂蛋白质，且具有较高的选择性，检测重现性好。该传感器检测限也可以通过优化纳米交叉阵列栅MOSFET的几何参数改善，且这种纳米生物传感器可以很容易地用于其他蛋白质、DNA、病毒和肿瘤标志物的检测[8]。

酶、血糖、有毒有害小分子物质、重金属离子等，甚至该还探寻到原子、分子内部 （包括细胞内）进行实时单分子水平分析。但未来的新一代纳米生物传感器也面临着诸多挑战，如更高灵敏度、特异性、生物相容性、集成多种技术、检测方法简化、制备工艺、批量化生产、成本效益等。

纳米生物传感器阵列或多种纳米生物传感器的集成，是生物传感器的一个重要发展趋势。分子自组装加工工艺简单可控，可以实现快速复制，而且成本较低，对生物传感器的发展有很重要的促进作用，有利于高灵敏度、低成本、一次性纳米生物传感器的发展。而生物分子自组装技术更值得关注，具有天然的生物兼容性、优异的结

五、结语

随着纳米技术和生物传感器交叉融合的发展，涌现出越来越多的新型纳米生物传感器，如量子点、DNA、寡核苷配体等纳米生物传感器。这些生物传感器的最显著特点是快速、准确、灵敏，集多功能、便携式、一次性于一身，不仅可以检测细菌、病毒、蛋白质、

合性能，是生物传感器发展的一个新领域。

纳米生物传感器未来可广泛满足各种医疗诊断、药物发现、病原体检测、食品检测、环境检测、生物反恐和国家安全防御方面的需要，未来完全有可能替代当前的一些分析方法，并很可能成为生命科学分析的标准方法。

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