低維納米材料 提高生物傳感器靈敏度

　　納米技術(shù)的介入為生物傳感器的發(fā)展提供了無(wú)窮的想象空間。

　　近日，據國際知名期刊Advanced Materials(《先進(jìn)材料》)報道，中國科學(xué)院化學(xué)研究所光化學(xué)院重點(diǎn)實(shí)驗室趙永生課題組利用高比表面積的一維納米材料，制備出一種更加靈敏的電化學(xué)發(fā)光納米生物傳感器。該項研究也為低維納米材料制備生物傳感器提供了重要的理論和實(shí)驗依據。

　　趙永生對記者表示，隨著(zhù)科技的進(jìn)步，傳感器和光學(xué)元件都將趨于小型化和集成化。有機低維納米材料由于其獨特的結構和新穎的物理、化學(xué)性質(zhì)，在生物傳感、納米光子學(xué)領(lǐng)域中展現出廣闊的應用前景。

　　低維納米材料制備生物傳感器可提高靈敏度。

　　納米材料提高檢測性能

　　從細菌到人，所有生物都在使用“生物分子開(kāi)關(guān)”來(lái)監測環(huán)境。此類(lèi)“開(kāi)關(guān)”，即由RNA或蛋白制成、可改變形狀的分子。這些“分子開(kāi)關(guān)”的誘人之處在于：它們很小，足以在細胞內“辦公”，而且非常有針對性，足以應付非常復雜的環(huán)境。

　　受到這些天然“開(kāi)關(guān)”的啟發(fā)，納米生物傳感器應運而生。

　　據趙永生介紹，生物傳感器是用固定化的生物體成分，如酶、抗原、抗體、激素等，或者是生物體本身的細胞、細胞器、組織等作為傳感元件制成的傳感器。

　　按所用分子識別元件的不同，生物傳感器可分為酶傳感器、微生物傳感器、組織傳感器、細胞器傳感器、免疫傳感器等;按信號轉換元件的不同可分為電化學(xué)生物傳感器、半導體生物傳感器、測熱型生物傳感器、測光型生物傳感器、測聲型生物傳感器等。

　　其中，電化學(xué)生物傳感器由于具有體積小、分辨率高、響應時(shí)間短、所需樣品少、對活細胞損傷小等特點(diǎn)，廣泛應用于醫藥工業(yè)、食品檢測和環(huán)境保護等領(lǐng)域。

　　如今，納米技術(shù)的介入更是為電化學(xué)生物傳感器的發(fā)展提供了新的活力。

　　趙永生稱(chēng)，納米材料具有小尺寸效應、表面效應、量子尺寸效應及宏觀(guān)量子隧道效應等，使得其表現出奇異的化學(xué)、物理性質(zhì)。

　　例如常見(jiàn)的碳納米材料，特別是碳納米管、石墨烯等，就表現出優(yōu)良的力學(xué)性能、導電性能、表面性能及獨特的電化學(xué)性質(zhì)。

　　此前，研究人員就曾用瓊脂糖將葡萄糖氧化酶和連接了二茂鐵的單壁碳納米管固定在玻碳電極表面，實(shí)現了對葡萄糖的快速靈敏檢測。碳納米管的引入還能夠顯著(zhù)提高電化學(xué)敏感膜中電活性物質(zhì)的氧化還原可逆性，同時(shí)消除了溶解氧對測定的干擾。

　　在趙永生看來(lái)，納米材料應用于電化學(xué)生物傳感器領(lǐng)域后，不僅提高了傳感器的檢測性能，而且提升了傳感器的化學(xué)和物理性質(zhì)以及它對生物分子或細胞的檢測靈敏度，檢測時(shí)間也得以縮短，與此同時(shí)還實(shí)現了高通量的實(shí)時(shí)分析檢測。

　　低維有機材料成新寵

　　在電化學(xué)納米生物傳感器的研究中，電化學(xué)發(fā)光由于具有較高的穩定性和較低的背景信號，其在檢測中的應用也成為科學(xué)家的興趣點(diǎn)。

　　通過(guò)電化學(xué)氧化和還原的納米材料，在電極表面可以和共反應劑反應，從而產(chǎn)生電化學(xué)發(fā)光。

　　趙永生課題組的研究人員在電化學(xué)發(fā)光傳感體系中引入低維納米材料釕聯(lián)吡啶納米線(xiàn)作為發(fā)光探針修飾電極，并通過(guò)還原氧化石墨烯有效增強電化學(xué)發(fā)光，實(shí)現了對生物分子多巴胺的高效、靈敏檢測。

　　趙永生表示，與此前報道的利用石墨烯—殼聚糖修飾電極在抗壞血酸和尿酸的共存下檢測多巴胺(5×10-6M 到2×10-4M)相比，上述傳感器對多巴胺的檢測具有更寬的檢測范圍(1×10-5M到1×10-12M)。

　　“而這也說(shuō)明低維納米材料使傳感器的靈敏度更高、尺寸更小、響應更快，以及對被測樣品的需求量更少。”趙永生說(shuō)。

　　此后，為了降低反應試劑的消耗，簡(jiǎn)化實(shí)驗設計，該課題組又制備出有機核/殼納米結構的可再生納米生物傳感器。

　　研究人員用9-二苯乙炔基蒽、10-二苯乙炔基蒽(BPEA)單晶納米線(xiàn)作為芯層，用對H2O2敏感的過(guò)氧草酸酯衍生物CPPO作為殼層，通過(guò)化學(xué)發(fā)光實(shí)驗證明了殼層對H2O2氣體有超靈敏和高選擇性的響應。

　　在此基礎上，研究人員還利用核殼之間的消逝波耦合有效地放大了納米線(xiàn)與H2O2氣體的化學(xué)反應，構筑了有機核/殼納米結構的光波導傳感器，從而實(shí)現了對H2O2氣體的快速、高靈敏、高選擇性的原位檢測。

　　“這項研究進(jìn)一步凸顯了利用高比表面積的一維納米材料制備生物傳感器，可以提高傳感器的靈敏度。”趙永生說(shuō)，下一步，他們還將利用一維納米材料構建納米光子學(xué)生物傳感器相關(guān)器件，實(shí)現納米材料、光子學(xué)以及生物學(xué)三者的完美結合。

　　未來(lái)發(fā)展趨勢

　　隨著(zhù)納米技術(shù)和生物傳感器交叉融合的發(fā)展，越來(lái)越多的新型納米生物傳感器涌現出來(lái)，如量子點(diǎn)、DNA、寡核苷配體等納米生物傳感器。

　　在趙永生看來(lái)，未來(lái)納米生物傳感器的發(fā)展方向應該是集成多功能、便攜式、一次性的快速檢測分析機器，它可以廣泛用于食品、環(huán)境、戰場(chǎng)、人體疾病等領(lǐng)域的快速檢測。

　　例如，食品和飲料中病原體或者農藥殘留成分的快速靈敏檢測;環(huán)境中污染氣體或者污染金屬離子等遠程檢測和控制;人體血液成分和病原體的快速實(shí)時(shí)檢測，以及戰場(chǎng)生化武器和爆炸物的快速檢測。

　　但新一代納米生物傳感器同樣面臨諸多挑戰，如更高靈敏度、特異性、生物相容性、集成多種技術(shù)、檢測方法簡(jiǎn)化、制備工藝、批量化生產(chǎn)、成本效益等。

　　對此，趙永生表示，分子自組裝加工工藝簡(jiǎn)單可控，可以實(shí)現快速復制，而且成本較低，對生物傳感器的發(fā)展有很重要的促進(jìn)作用，有利于高靈敏度、低成本、一次性納米生物傳感器的發(fā)展。而生物分子自組裝技術(shù)更值得關(guān)注，它具有天然的生物兼容性、優(yōu)異的結合性能，或將成為生物傳感器發(fā)展的另一個(gè)全新領(lǐng)域。