纳米生物传感器

1、纳米生物传感器湖南大学物电院 仅供学习使用生物传感器生物识别单元具有专一的选择性, 可以获得极其高的灵敏度;信号转换器通常是一个独立的化学或物理敏感元件, 可采用电化学、光学、热学、压电等多种不同原理工作 纳米材料是指三维空间中至少有一维处于纳米尺度( 1 100nm) 范围内的材料或由它们作为基本单元组装而成的结构材料,纳米材料 (1)表面效应。纳米粒子的表面原子数与总体原子数之比随粒径的变小而急剧增大, 从而引起数与总体原子数性质上的突变 (2)小尺寸效应。当纳米粒子的尺寸与传导电子的波长及超导态的相干长度等物理尺寸相当或更小时, 周期性的边界条件将被破坏, 熔点、磁性、光吸收、热阻、化学

2、活性、催化性能等与普通粒子相比都有很大变化。 （3）量子尺寸效应。颗粒尺寸下降到一定值时,可将大块材料中连续的能带分裂成分立的能级, 能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。（4) 宏观量子隧道效应 纳米电化学生物传感器是将纳米材料作为一种新型的生物传感介质, 与特异性分子识别物质如酶、抗原、抗体、DNA 等相结合, 并以电化学信号为检测信号的分析器件。纳米电化学生物传感器 纳米颗粒在电化学生物传感器中的应用非常广泛。纳米粒子由于具有大的比表面积和很高的表面自由能, 在吸附固定生物分子方面可以扮演重要的角色, 用于生物分子的固定, 可以增加固定的分子数量, 从而增强反应信号。金溶胶纳米颗粒由于吸附生

3、物大分子后仍能保留其生物活性, 因而最初广泛用于电子显微镜中标记生物分子。纳米颗粒金溶胶又称胶体金，是金盐被还原成金单质后形成的稳定、均匀、呈单一分散状态悬浮在液体中的金颗粒悬浮液。金溶胶颗粒由一个金原子及包围在外的双离子层构成纳米金粒子是最常用到的。由于纳米金较大的比表面积、较高的催化活性以及较好的表面控制性，使得基于纳米金粒子构建的生物传感器具有非同寻常的特性。纳米金粒子的引入能显著增加基因分析的灵敏度以及序列特异性。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

4、器结合后，在体外测定磁性颗粒在体内的分布和位置，从而给肿瘤定位随着温度由26升高到36度，可以清楚的观测到细胞内水凝胶发光增强的现象。荧光纳米水凝胶由对温度敏感的聚合物和对水敏感的荧光团构成，升高温度时聚合物发生收缩，荧光团与水隔离，荧光强度增强。反之，荧光强度降低。细胞内定量温度测量可对单个细胞内荧光点强度的求和得到。 碳纳米管共价修饰抗体或其他受体后，不产生细胞毒性，也不会影响抗体或受体的免疫活性，近年来该方法在免疫传感器方面的应用逐渐增加。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。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

5、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。 利用单壁碳纳米管制备了高度灵敏的生物传感器，用于检测多种癌细胞标记物。碳纳米管还可用于检测植物毒素碳纳米管近日，美国麻省理工斯塔力诺实验室研发出一种传感器，可通过皮下植入人体，并可在一年内检测人体内的一氧化氮含量。该时长创下了纳米传感器人体植入时长的新纪录。据悉，该传感器由碳纳米管所组成，还可以开发用于检测诸如葡萄糖等其他分子的感应器。斯塔力诺教授正在为糖尿病人开发新型感应器，如若成功，患者就无需再进行血液样本的检测。一氧化氮是人体细胞中最重要的信使分子之一，其主要作用

6、是在大脑和其他免疫系统功能中传递信息。在很多癌症细胞中，一氧化氮的数量相当不稳定，但医学界至今对健康和癌症细胞中一氧化氮表现形式的差别仍了解不深。石墨烯石墨烯具有极高的电导率、热导率、及出色的机械强度；并且作为单原子平面二维晶体，石墨烯在高灵敏度检测领域具有独特的优势。然而目前人们对石墨烯与生物的界面却知之甚少，这一问题的研究对于石墨烯能否应用于生物电子学至关重要。国家纳米科学中心方英课题组和美国哈佛大学Lieber课题组合作首次成功制备了石墨烯与动物心肌细胞的人造突触。研究人员首先通过纳米加工技术得到高信噪比的石墨烯场效应晶体管集成芯片，进而在芯片表面培养鸡胚胎心脏细胞。研究发现，石墨烯和单个心肌细胞之间形成稳定接触，实现了对细胞电生理信号的高灵敏度、非侵入式检测。更重要的是，该研究第一次实现了通过门电势的偏置引起同一石墨烯器件n型和p型工作模式的转变，进而在细胞电生理过程中得到了相反极性的石墨烯