纳米技术在生物传感器中的应用研究进展

1、科技进展纳米技术在生物传感器中的应用研究进展高盐生1,董江庆2,徐晓燕13(1.盐城技术师范学院,江苏盐城224002;2.盐城市质量技术监督局,江苏盐城224001摘要:纳米材料因其特殊物理结构和电化学性质在生物传感器中有着广泛的应用,以纳米技术为基础的生物传感器的研究为生命科学及其相关领域的研究提供了许多新的方法。介绍了生物传感器的研究进展,分析了固定化酶时引入纳米颗粒的作用,探讨了金纳米粒子和碳纳米管的结构、特性、功能,评述了纳米粒子在生物传感器中的具体应用,展望了纳米技术的介入对生物传感器的发展所带来的美好前景。关键词:生物传感器;纳米技术;金纳米粒子;碳纳米管;应用中图分类号:Q81

2、4.2文献标识码:A文章编号:1002-1116(200803-0004-03生物传感器是在化学传感器的基础上发展起来的,也是电化学分析和生物技术研究最为活跃的领域之一1。生物传感器与传统的各种物理传感器和化学传感器的最大区别在于生物传感器的感受器中含有生命物质,以生物活性单元(如酶、抗体、核酸、细胞等作为敏感基元,通过各种物理、化学换能器捕捉目标物与敏感基元之间的反应,然后将反应程度用离散或连续的数字电信号表达出来,得出被分析物的信息。生物传感器具有灵敏度高、准确度高、选择性好、检测限低、价格低廉、稳定性好、能在复杂的体系中进行快速在线连续监测等特点2,广泛应用于基础研究、食品分析、生物、临

3、床化学和诊断、农业和畜牧兽医、军事、过程控制与检测、环境监控与保护等领域3。酶生物传感器是生物传感器领域中研究最多的一种类型。酶生物传感器是由一个固定化的生物敏感膜和与之密切结合的换能系统组成,它把固定化酶和电化学传感器结合在一起,灵敏度高,选择性好。因此,酶电极在生物传感器领域中占有非常重要的地位。由于酶生物传感器最主要的一个元件是固定化的生物敏感膜,因此酶膜的固定一直是生物传感器研究的关键环节。酶的固定化方法主要有:吸附法、共价键合法、交联法、包埋法、电化学聚合法和分子自组装等,但不管哪种固定化方法总不同程度的面临着酶的泄露和酶活回收率低的问题。固定化酶时引入纳米颗粒能够增加酶的催化活性,

4、提高电极的响应电流值4。这是因为:首先,纳米粒子的表面效应使得纳米粒子可以吸附大量的活性酶分子,而且纳米颗粒可以增强酶在载体表面上的固定作用;其次纳米粒具有定向作用,分子在定向之后,其功能会有所改善;第三,由于金、铂纳米颗粒具有良好的导电性和宏观隧道效应,可以作为固定化酶之间、固定化酶与电极之间有效的电子媒介体,从而使得酶的氧化还原中心与电极间通过金属颗粒进行电子转移成为可能,纳米颗粒可以近似看作是酶与电极间一种导线,这样就有效地提高了传感器的电流响应灵敏度5。1金纳米粒子在生物传感器中的应用1.1金纳米粒子及其特点金纳米粒子(AuNP是指直径在1100nm之间的金微粒6,它以稳定形式存在于溶

5、液中。它具有比表面积大,表面反应活性高、表面活性中心多、催化效率高、吸附能力强等性能。纳米金粒子因为尺寸效应所造成的表面原子配位不足,亏电子严重,而对于生物大分子有很强的吸附能力,能高效地固定生物大分子,因此它在设计和制备各种具有特定功能的化学传感器中具有重要意义。1.2金纳米粒子的功能及应用由于大多数生物活性酶的氧化还原中心深埋于分子内部,其氧化还原中心与电极表面的距离超过了电子能以足够速率进行转移的距离,因而很难在电极上第36卷第3期2008年6月江苏化工Jiangsu Che m ical I ndustryJun.20083收稿日期:2008-03-15作者简介:高盐生(1966,女,

6、江苏盐城人,高级讲师,硕士,主要从事电化学技术应用的研究。电话:130*。实现直接的电子传递。金纳米颗粒的加入过程中,金纳米粒子一方面和酶分子的活性中心结合,可以加速酶分子到电子中间体的电子传递过程;另一方面和电极表面碰在一起,这根纳米导线也能扩展电极空间,增大和电子中间体的接触空间。不论接触到哪个,都有利于电子传递时间缩短,从而提高响应电流。纳米金溶胶自组装技术已有很多报道,这主要是它能使组装表面上的蛋白质、酶保持稳定的生物活性的同时,也使自己保持稳定的性质。Cai等人7把胶体金纳米颗粒固定在半胱氨酸修饰的金电极表面,增大了有效固定面积,可以结合更多的ss DNA,使得检测下限延长。唐芳琼等

7、8制备了纳米颗粒增强的葡萄糖氧化酶(G OD传感器,得到响应迅速、灵敏度高的直接电子转移的酶电极,开辟了纳米颗粒应用的新领域。Junwei D i 等9,10用纳米金粒子制备生物传感器,灵敏度高,增敏效果明显。刘颜等11用纳米金溶胶修饰制备的新型葡萄糖生物传感器响应快、灵敏度高、稳定性好,对葡萄糖的线性响应范围为1×10-63×10-3molL-1,检出限为5×10-7molL-1。并具有抗尿酸、抗坏血酸干扰的特点。高盐生等12研究了在L-半胱胺酸和金纳米颗粒存在下超氧化物歧化酶(S OD固定于硅溶胶-凝胶中的电化学行为,实现了酶的直接电子传递。2碳纳米管在生物传

8、感器中的应用2.1碳纳米管的结构及特性碳纳米管(CNT是由单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷绕而成的无缝、中空的“微管”,每层由一个碳原子通过sp2杂化与周围3个碳原子完全键合后所构成的六边形组成的圆柱面。根据形成条件的不同,碳纳米管存在多壁碳纳米管(MWNTs和单壁碳纳米管(S WNTs两种形式。MWNTs一般由几层到几十层石墨片同轴卷绕构成,层间间距为0.34nm 左右,其典型的直径和长度分别为230nm和0.1 50m。S WNTs由单层石墨片同轴卷绕构成,其侧面由碳原子六边形排列组成,两端由碳原子的五边形封顶。管径一般为1020nm,长度一般可达数十微米,甚至长达20cm。碳纳

9、米管独特的原子结构使其表现出金属或半导体特性,利用这种独特的电子特性,可以将碳纳米管制成电极。碳纳米管的表面效应,即直径小、表面能高、原子配位不足,使其表面原子活性高,易与周围的其它物质发生电子传递作用12,在电催化和电分析化学领域中具有广阔的应用前景。可用于显微镜探针针尖、气相传感器、分离检测等,在修饰电极上的应用尤为广阔。2.2碳纳米管的活化及应用一般认为,在碳纳米管表面引入一些电活性基团,经过活化才能有较好的电化学响应。活化的方法一般分为两类:(1在制成电极前对碳纳米管进行活化,包括在气相中用空气或等离子体氧化或用酸(主要是浓HNO3氧化。以浓HNO3处理碳纳米管的方法是:将碳纳米管在浓

10、硝酸中浸泡10h后,100浓硝酸回流56h。再将得到的悬浊液离心分离、烘干,得到粉末状开管硝基化的碳纳米管。取1mg分散至3mL的N,N-二甲基甲酰胺(DMF中,超声分散15m in,备用。(2制成电极后,用电化学方法进行活化,即将碳纳米管电极在一定溶液中(如磷酸盐缓冲溶液于一定电位范围内循环扫描。经过活化以后,根据所用介质的不同,可以在碳管表面引入含氧、甚至含硫的基团,一般包括羟基、羰基、羧基、酚类和醌类化合物等,这些电活性基团可以催化或促进其他物质的电子传递反应。研究初期,人们首先将碳纳米管制成电极并用于对神经递质多巴胺的电催化氧化,开辟了碳纳米管应用的新领域。Davis等13也用类似的方

11、法制作了碳纳米管电极,使细胞色素C等生物蛋白质分子在碳纳米管电极上能发生准可逆的电化学反应。用碳纳米管修饰电极以达到预期的目的一直处于研究中14-17。蔡称心等18报道了辣根过氧化物酶(HRP在碳纳米管修饰GC电极表面的固定及直接电化学。实验结果表明:HRP在CNT/GC电极表面能进行有效和稳定的直接电子转移,获得了其良好的循环伏安峰形,在生物传感器中引入纳米颗粒显著提高了电极的响应电流值,极大地增强了传感器的电流响应灵敏度,有效实现了酶在电极上的直接电化学。Cai等19用碳纳米管固定葡萄糖氧化酶实现了电子的直接转移。许银玉等20将分散在Nafi on溶液中的多壁碳纳米管修饰玻碳电极构建电流型

12、葡萄糖生物传感器,该传感器显示了良好的传感性能,其检测线性范围为2.1×10-5-7.6×10-3 molL-1。尹峰等21将多壁碳纳米管和聚丙烯胺层层自组装制得葡萄糖生物传感器,其灵敏度较高,抗干扰能力较强。Jian wen Wang等22利用碳纳米管将HRP固定在电极表面得到性能良好的生物传感器,发生了准可逆的电化学反应,检测线性范围为5×10-7-3×10-4 molL-1,检测限为1×10-7molL-1。3结语纳米生物研究是一个新诞生的交叉学科领域,它既是国际科学前沿,也是与人类健康和生活密切相关的重要社会问题。在这个研究领域,充满了

13、科学创新5第36卷第3期高盐生等:纳米技术在生物传感器中的应用研究进展的机遇。纳米技术的介入为生物传感器的发展提供了无穷的想象,纳米技术已经而且将继续为生物传感器的发展带来突破,它们的有机结合必将为人类科学技术的进步带来更美好的未来。参考文献:1王丽江,陈松月,刘清君,等.纳米技术在生物传感器及检测中的应用J.传感技术学报,2006,19(3:581-587. 2李松林,崔建明.导电聚合物固定酶生物传感器研究进展J.材料导报,2006,20(4:38-40.3钱军民,奚西峰,黄海燕.我国酶传感器研究新进展J.石化技术与应用,2002,20(5:333-336.4周路,袁若,柴雅琴,等.纳米金增

14、强DNA修饰金电极电化学性能的研究J.西南师范大学学报,2004,29(5:789-794.5任湘菱,孟宪伟,唐芳琼.纳米铂颗粒在生物传感器中的应用研究J.功能材料与器件学报,2006,11(2:246-250.6张志妮,崔作林.纳米技术和纳米材料M.北京:国防工业出版社,2000:32.7Cai H,Xu C,He P.Coll oid Au2enhanced DNA i m mobi2lizati on for the dectr oche m ical detecti on of sequence2s pe2cific DNAJ.Journaof Elect m analytical C

15、he m istry,2001,510(1-2:78-85.8唐芳琼,孟宪伟,陈东,等.纳米颗粒增强的葡萄糖生物传感器J.中国科学(B辑,2000,30(2:119-124. 9D i Jun wei,Shen Chunp ing,Peng Shaohua.A one2step2method t o constructa third2generati on bi osens or basedonhorseradish per oxidase and gold nanoparticles e mbeddedin silica s ol2gel net w ork on gold modified

16、 electr odeJ.Analytica Chi m ica Acta,2005,553:196-200.10D i Jun wei,Peng Shaohua,Shen Chunp ing,et al.One2stepmethod e mbedding super oxide dis mutase and gold nanop2articles in silica s ol2gel net w ork in the p resence of cyste2ine f or constructi on of third2generati on bi osens orJ.B i2osens or

17、sand B i oelectr onics,2007,23:88-94.11刘颜,袁若,柴雅琴.聚亚甲基蓝和纳米金修饰玻碳电极的葡萄糖生物传感器J.分析测试学报,2005,24(4:24-27.12高盐生,彭少华,沈春平.基于自组装和溶胶-凝胶固定超氧化物歧化酶的直接电化学J.常熟理工学院学报,2007,21(2:49-52.13Davis J J,Cole man K S,Aza mian B R,et al.Green MLHche mical and bi oche mical sensing with modified single walledcarbon nanotubesJ.C

18、he m Eur,2003,9:3732-3739. 14Musa meh M,Wang J,Merkoci A.Lo w2potential stableNADH detecti on at carbon2nanotube2modified glassy carbonelectr odesJ.Electr oche m Co mmun,2002,4:743-746. 15W ang J,L iM,Shi Z.D irect electr oche m istry of cyt ochr o mecat a glassy carbon electr ode modified with sing

19、le2wall car2bon nanotubesJ.Anal Che m,2002,74:1993-1997. 16Yin X,Chatt opadhyay D,Galeska I.Per oxidase activity ofenzy mes bound t o the ends of single2wall carbon nanotubef orest electr odesJ.Electr oche m Com2mun,2003,5:408-411.17Gooding J J,W ibowo R,L iu J.Pr otein electr oche m istry u2sing al

20、igned carbon nanotube arraysJ.Am Che m Soc,2003,125:9006-9007.18蔡称心,陈静.碳纳米管电极上辣根过氧化物酶的直接电化学J.化学学报,2004,62(3:335-340. 19Cai C,Chen J.D irect electr on transfer of glucose oxidasep r omoted by carbon nanotubesJ.Analytical B i oche m is2try,2004,332:75-83.20许银玉,吴朝阳,陈利国.基于铂纳米颗粒修饰碳纳米管Nafi on膜电极的葡萄糖传感器J.化

21、学传感器,2006,26(2:48-53.21尹峰,赵紫霞,吴宝艳.基于多壁碳纳米管和聚丙烯胺层层自组装的葡萄糖生物传感器J.分析化学,2007,35(7:1021-1024.22W ang J ian wen,Gu M ing,D i Jun wei,et al.A carbonnanotube/silica s ol2gel architecture f or i m mobilizati on ofhorseradish per oxidase f or electr oche m ical bi osens orJ.B i op r ocess B i osyst Eng,2007,3

22、0:289-296.(下转第22页综合信息三房巷参股新加坡裕廊芳烃集团国际项目由江苏三房巷集团出资5500万美元,与新加坡裕廊集团有限公司合作的炼油芳烃联合装置重大国际项目,日前获得国家商务部正式批准。这是迄今为止无锡地区乃至江苏全省企业境外投资的单个最大项目。这也为江苏企业实施“走出去”战略开创了新的模式。参与新加坡裕廊集团有限公司的炼油芳烃联合装置重大国际项目,将使江苏三房巷集团较好地解决生产聚酯类产品原料紧缺问题,为企业做强做大、不断提升国际市场竞争力打下坚实的基础。(www.che m 2008-06-05参考文献:1金炼铁,余红杰.三氯吡啶酚及其钠盐的合成J .精细化工,2002,1

23、9(8:474-476.2张柏青,周曙光,胡军,等.毒死蜱的合成研究J .农药,1999,38(7:4-5.3许振元,许丹倩.毒死蜱的合成研究J .农药,1998,37(1:15-17.4许丹倩,许振元.3,5,6-三氯吡啶-2-酚的合成J .浙江工业大学学报,1996,24(1:16-23.5Lorraine M K,W alnut C .Pr ocess f or p reparing phos pho 2r othi oates and phenyl phos phor othi oates:US,3907815P .1973-05-21.6Pierre R R.Pr ocess for

24、 p r oducing 2,3,5,62tetrachl or opyr 2idine and 3,5,62trichl or opyridin 222ol:US,4327216P .1980-11-24.7Frank H,A lvin M.Pr ocess f or p r oducing 2,3,5,62tetra 2chl or opyridine:US,4703123P .1986-09-19.8Pe w R G,M ich M.Pr ocess f or p r oducing 3,5,62trichl or o 2pyridin 222ol:US,4996323P .1989-0

25、5-12.9杨浩,肖国民.杀虫剂毒死蜱的合成进展J .应用化工,2003,32(2:10-11.10杨齐放.水溶剂法合成毒死蜱的研究J .江西化工,2005(4:129-130.Synthesis of Hi gh Effect I nsecti c i de Chlorpyri fos by Aqueous SolventLU Yang 1,T AO J ing 2zhao 2,ZHANG Zhi 2r ong 1.O ffice of O rganic Che m istry,X inyang A griculture College,X inyang 464000China;2.Che

26、m istry D epart m ent of Zhengzhou U niversity,Zhengzhou 450001,China; 3.Henan Province FuB ang Pesticides Che m ical Engineering Co m pany M anager ,X inyang 464000,ChianAbstract:Preparati on of chl or pyrif os was investigated by one 2pot method,utilizing O ,O 2diethyl phos phor ochl orido 2thi oa

27、te and 3,5,62trichl or o 222pyridinol s odium p repared fr om 2,3,5,62tetrachl or opyridine and caustic s odium as the starting materials .A ne w method of the synthesis of chl or pyrif os was reported by using three compound cata 2lysts .The op ti m u m reacti on conditi ons via aqueous phase were

28、investigated,and the yield and purity of chl or pyrifos were over 95%and 97%res pectively .The structure of synthesized compound was confir med by I R and 1H NMR.Key words:chl or pyrif os;synthesis;aqueous phase;3,5,62trichl or o 222pyridinol s odium(上接第6页Research and Appli cati on of Nano 2technology i n Bi ologi cal SensorsG AO Yan 2sheng 1,DONG Jang 2qing 2,