納米顆粒在電化學生物傳感器中的應用研究
劉陽
摘 要：納米技術介入生物傳感器的研究領域具有非常重要的意義。簡要介紹了電化學生物傳感器的工作原理，著重討論了納米顆粒在電化學生物傳感器中的研究進展，并論述了這一領域的發(fā)展趨勢。
關鍵詞：納米顆粒; 電化學生物傳感器; 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?shù)哪芰哭D換器件結合而成的傳感裝置，用以測定一種或幾種分析物的含量。生物傳感器是多學科交叉的產物，是一種全新的檢測技術，在生命科學、臨床診斷、環(huán)境監(jiān)控以及過程控制等各種領域都有所應用。生物傳感器與傳統(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。
納米技術主要是針對尺度為 1~100nm 之間的分子世界的一門技術，是21世紀最前沿的兩大學科之一。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。納米顆粒的特殊結構使其具有微尺寸效應、表面效應、量子效應和宏觀量子隧道效應，并由此引起力學、電學、磁學、熱學、光學和化學活性等方面的特殊性質。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)點而被用于電化學生物傳感器的研究，以提高靈敏度和縮短反應時間。
2 電化學生物傳感器
電化學生物傳感器是以酶、微生物、抗原或抗體、細胞、動植物組織為敏感膜，以將生物量轉換為電信號的電化學電極為轉換器組成的裝置。根據(jù)其產生電信號的類別，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催化的單一性目標物質進行檢測。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：
式中，S1為目標物，S2為媒介物，P1為生成物1，P2為生成物2。當目標物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，減小共存電活性物質，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 納米顆粒標記
許多文獻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直徑膠體金標記的親和素反應，由膠體金引起的電流響應與親和素濃度在一定范圍內線性相關。納米顆粒也可以用來定位腫瘤，熒光素標記的識別因子，與腫瘤受體結合，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顆粒標記識別因子，與腫瘤表面的靶標識別器結合后，在體外測定磁性顆粒在體內的分布和位置，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，且蛋白質等物質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電極中的應用。
用超細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)展為將復合納米顆粒應用于GOD和其它酶電極中。
①復合納米顆粒的應用。
任湘菱用憎水銀-金納米顆粒進行GOD的固定化研究表明：憎水銀-金納米顆粒可以顯著提高GOD酶電極的響應靈敏度。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電子而被還原的特性。因而在GOD酶反應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組成的復合納米顆粒固載GOD構建的傳感器，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電極響應性能的增強作用。主要原因是復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，所以復合納米顆粒顯著增強了傳感器的電流響應，提高了傳感器分析葡萄糖的靈敏度。
②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，可以結合更多的GOD，使得檢測下限延長；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，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利用率。
采用TiO2納米顆粒與聚乙烯醇縮丁醛作為固酶基質，用凝膠溶膠法固定HRP，構成過氧化氫生物傳感器。實驗結果表明，納米TiO2顆粒的引入明顯提高了HRP對H2O2的響應電流。
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構和電催化活性，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形成靜電復合物，防止了HRP從殼聚糖膜中泄漏并提供適應酶所需的微環(huán)境，保持了HRP的生物活性。
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，將Hb固定到PGE表面，保持了其原有的構型和催化活性，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用。
將巰基乙胺固載到玻碳電極表面，進而化學吸附納米金，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24~600 ng/ml，檢出限為5.2 ng/ml。已研制的Nafion/黃嘌呤氧化酶(XO)/納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電極(如鉑和玻碳電極)上制成不同的電流型生物傳感器。 4 發(fā)展趨勢
近年來，將各種納米顆粒應用于電化學生物傳感器的研究，正引起人們極大的興趣，并使傳感器技術獲得巨大進步。初步實驗結果表明，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，在生物標記、放大信號、消除干擾和多種酶的固定化技術中得到了廣泛地應用：大幅度提高了檢測的靈敏度，縮短了響應時間，實現(xiàn)了目標物的實時檢測；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)幾種物質的實時檢測中取得了良好的結果，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電流，縮短相應時間，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用、特殊結構和材料的電極的研制等方面，仍有較大的發(fā)展空間，有待于科學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。
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