高性能生物传感器的纳米“开关”

纳米技术的介入为生物传感器的发展提供了无穷的想象空间

    近日，据国际知名期刊Advanced Materials(《先进材料》)报道，中国科学院化学研究所光化学院重点实验室赵永生课题组利用高比表面积的一维纳米材料，制备出一种更加灵敏的电化学发光纳米生物传感器。该项研究也为低维纳米材料制备生物传感器提供了重要的理论和实验依据。

    赵永生对《中国科学报》记者表示，随着科技的进步，传感器和光学元件都将趋于小型化和集成化。有机低维纳米材料由于其独特的结构和新颖的物理、化学性质，在生物传感、纳米光子学领域中展现出广阔的应用前景。

纳米材料提高检测性能

    从细菌到人，所有生物都在使用“生物分子开关”来监测环境。此类“开关”，即由RNA或蛋白制成、可改变形状的分子。这些“分子开关”的诱人之处在于：它们很小，足以在细胞内“办公”，而且非常有针对性，足以应付非常复杂的环境。

    受到这些天然“开关”的启发，纳米生物传感器应运而生。

    据赵永生介绍，生物传感器是用固定化的生物体成分，如酶、抗原、抗体、激素等，或者是生物体本身的细胞、细胞器、组织等作为传感元件制成的传感器。

    按所用分子识别元件的不同，生物传感器可分为酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞器传感器、免疫传感器等;按信号转换元件的不同可分为电化学生物传感器、半导体生物传感器、测热型生物传感器、测光型生物传感器、测声型生物传感器等。

    其中，电化学生物传感器由于具有体积小、分辨率高、响应时间短、所需样品少、对活细胞损伤小等特点，广泛应用于医药工业、食品检测和环境保护等领域。

    如今，纳米技术的介入更是为电化学生物传感器的发展提供了新的活力。

    赵永生称，纳米材料具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应等，使得其表现出奇异的化学、物理性质。

    例如常见的碳纳米材料，特别是碳纳米管、石墨烯等，就表现出优良的力学性能、导电性能、表面性能及独特的电化学性质。

    此前，研究人员就曾用琼脂糖将葡萄糖氧化酶和连接了二茂铁的单壁碳纳米管固定在玻碳电极表面，实现了对葡萄糖的快速灵敏检测。碳纳米管的引入还能够显著提高电化学敏感膜中电活性物质的氧化还原可逆性，同时消除了溶解氧对测定的干扰。

    在赵永生看来，纳米材料应用于电化学生物传感器领域后，不仅提高了传感器的检测性能，而且提升了传感器的化学和物理性质以及它对生物分子或细胞的检测灵敏度，检测时间也得以缩短，与此同时还实现了高通量的实时分析检测。

低维有机材料成新宠

    在电化学纳米生物传感器的研究中，电化学发光由于具有较高的稳定性和较低的背景信号，其在检测中的应用也成为科学家的兴趣点。

    通过电化学氧化和还原的纳米材料，在电极表面可以和共反应剂反应，从而产生电化学发光。

    赵永生课题组的研究人员在电化学发光传感体系中引入低维纳米材料——钌联吡啶纳米线作为发光探针修饰电极，并通过还原氧化石墨烯有效增强电化学发光，实现了对生物分子多巴胺的高效、灵敏检测。

    赵永生表示，与此前报道的利用石墨烯—壳聚糖修饰电极在抗坏血酸和尿酸的共存下检测多巴胺(5×10-6M 到2×10-4M)相比，上述传感器对多巴胺的检测具有更宽的检测范围(1×10-5M到1×10-12M)。

    “而这也说明低维纳米材料使传感器的灵敏度更高、尺寸更小、响应更快，以及对被测样品的需求量更少。”赵永生说。

    此后，为了降低反应试剂的消耗，简化实验设计，该课题组又制备出有机核/壳纳米结构的可再生纳米生物传感器。

    研究人员用9-二苯乙炔基蒽、10-二苯乙炔基蒽(BPEA)单晶纳米线作为芯层，用对H2O2敏感的过氧草酸酯衍生物CPPO作为壳层，通过化学发光实验证明了壳层对H2O2气体有超灵敏和高选择性的响应。

    在此基础上，研究人员还利用核壳之间的消逝波耦合有效地放大了纳米线与H2O2气体的化学反应，构筑了有机核/壳纳米结构的光波导传感器，从而实现了对H2O2气体的快速、高灵敏、高选择性的原位检测。

    “这项研究进一步凸显了利用高比表面积的一维纳米材料制备生物传感器，可以提高传感器的灵敏度。”赵永生说，下一步，他们还将利用一维纳米材料构建纳米光子学生物传感器相关器件，实现纳米材料、光子学以及生物学三者的完美结合。

未来发展趋势

    随着纳米技术和生物传感器交叉融合的发展，越来越多的新型纳米生物传感器涌现出来，如量子点、DNA、寡核苷配体等纳米生物传感器。

    在赵永生看来，未来纳米生物传感器的发展方向应该是集成多功能、便携式、一次性的快速检测分析机器，它可以广泛用于食品、环境、战场、人体疾病等领域的快速检测。

    例如，食品和饮料中病原体或者农药残留成分的快速灵敏检测;环境中污染气体或者污染金属离子等远程检测和控制;人体血液成分和病原体的快速实时检测，以及战场生化武器和爆炸物的快速检测。

    但新一代纳米生物传感器同样面临诸多挑战，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。

    对此，赵永生表示，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，它具有天然的生物兼容性、优异的结合性能，或将成为生物传感器发展的另一个全新领域。