纳米技术与生物传感器

一、引言

纳米技术(nanometer technology)主要是针对尺度为1nm~100nm之间的分子世界的一门技术。该尺寸处在原子、分子为代表的微观世界和宏观物体交界的过渡区域，基于此尺寸的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，因此有着独特的化学性质和物理性质，如表面效应、微尺寸效应、量子效应和宏观量子隧道效应等。

纳米技术引入生物传感器领域后，提高了生物传感器的检测性能，并促发了新型的生物传感器。因为具有了亚微米的尺寸、换能器、探针或者纳米微系统，生物传感器的化学和物理性质和其对生物分子或者细胞的检测灵敏度大幅提高，检测的反应时间也得以缩短，并且可以实现高通量的实时检测分析。本文就纳米技术在生物传感器中的应用作一介绍，包括多种纳米结构的性能和制作。

二、纳米结构

纳米结构在生物传感器中应用非常广泛，纳米结构可以是管道、纤维、颗粒、光纤以及薄膜和多孔体等。下面就不同纳米结构在生物传感器中应用分别进行介绍。

1、纳米颗粒在生物传感器中的应用

关于纳米颗粒的研究很多，例如将功能性纳米颗粒(如电子性质的、光学性质的和磁性的)固定在生物大分子(如多肽、蛋白、核酸)上，可制成用于生物信号检测、信号转换和放大的传感器，其可分为声波、光学、磁性和电化学等种类。

（1）声波生物传感器

声波生物传感器是检测待检测物质引起声波频率改变的传感器。其中，被研究最多的是石英晶体微天平(quartz crystal microbalance, QCM)生物传感器。其压电晶体常用AT方式(AT切割指切割面与石英晶体主光轴成25.15°，此刻，在室温下晶体共振温度系数接近于零)，在晶体的两面则采用离子束沉积等方法形成两个平行金属 (Au，Ag，Pt，Ni，Pd等)膜电极。膜电极的表面固定识别分子，识别分子因其有特异性而结合待检测分子，引起电极表面的质量变化，从而改变石英晶体的振荡频率。如果在待检测分子上修饰纳米颗粒，会显著提高待检测分子的质量，则检测信号也随之增强。Ward^[1]等人用纳米胶颗粒标记抗体，通过抗体－抗原免疫方法将其结合到石英晶体表面，由于修饰胶体颗粒(溶胶颗粒的直径在5~100nm)提高了标记分子的质量，根据Sauerbrey方程，石英晶体的振荡频率也相应得以提高，因而检测信号被放大，检测灵敏度提高，检测下限也降低了。

（2）光学生物传感器

纳米金属颗粒可以用于光共振检测，Bauer^[2]等人通过抗原－抗体或蛋白－受体结合等方法在导电材料表面固定纳米金属颗粒团，由于纳米颗粒反射偶极子的相互作用，引起反射光的共振增强，通过检测共振信号即可探知待检测物质。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，然后在体外用仪器显示出肿瘤的大小和位置。

纳米金属颗粒还可以作为一种通用的荧光湮灭基团。Maxwell^[3]等人在寡核甘酸探针分子的两端分别标记纳米金颗粒和荧光激发基团，探针由于碱基互补形成"发卡"结构，荧光激发基团和纳米金颗粒靠近，引起激发荧光湮灭；而当探针与特异性靶DNA结合后，其构象发生变化，纳米金颗粒和荧光激发基团分离，从而激发出荧光。该原理可用于核酸的实时荧光检测，以及单碱基突变多态性检测等。

（3）磁性生物传感器

磁性纳米颗粒在生物检测和药物分析上有着重要的应用价值。通过磁性材料标记生物分子，结合分子识别技术，可以实现样品的混合、分离、检测等复杂操作。Šafa?ík和Šafa?íková^{[4]Richardson[5]等人通过磁免疫分析技术，用磁力计数器检测磁性标记分子。另外，用纳米磁性颗粒标记识别因子，与肿瘤表面的靶标识别器结合后，可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。}等人用磁性材料标记分子，在磁场梯度下实现样品的分离和检测。

Chemla^[6]等人利用顺磁性的纳米颗粒和基于高温瞬态直流超导量子界面装置(superconducting quantum interference device，SQUID)的显微镜，提出了一种新颖的生物样品的快速检测技术。首先，把固定抗体的磁性颗粒悬浮在溶液中，然后在瞬时磁场脉冲下，磁化纳米颗粒产生，当磁场消失时，颗粒趋向自由分布，因为没有结合抗体的颗粒呈布朗运动，所以没有检测信号；而结合靶分子的纳米颗粒按照Neel松弛方式运动，产生一个缓慢衰减的磁信号，通过SQUID采集的信号即可分析出待检测物质。该技术无需分离未结合待检测分子的纳米颗粒，可以直接检测标记分子，缩短了检测时间，提高了检测效率。

（4）电化学生物传感器

胶体金是最常见的金属纳米颗粒，可以用于生物分子的标记，从而实现信号的检测和放大