纳米材料用于构建新型电化学生物传感器的研究进展

纳米材料用于构建新型电化学生物传感器的研究进展 主讲人 邢欢欢 一 金属纳米材料 二 碳纳米管 三 纳米氧化物 纳米金制备简单 性状稳定 电子传递效率良好 生物相容性良好 而且易于进行表面化学修饰 因此 利用纳米金与生物分子进行组装并介导电子传递 是构建电化学生物传感器的良好方案 Willner课题组 3 于2003年在Science上发表文章介绍了纳米金的经典应用 他们将葡萄糖氧化酶 glucoseoxidase GOD 的辅基FAD修饰到纳米金表面 再通过双巯基化合物的连接将FAD修饰的纳米金固定到金电极上 当引入脱辅基的GOD后 由于FAD与酶的特异结合 完整的GOD可以最大限度地保持其原有结构和活性而组装到电极表面 从而催化葡萄糖的氧化 维尔纳课题组的经典实验 近年来 基于纳米金与GOD所构建的各种葡萄糖生物传感器层出不穷 并发展出了一系列优秀的实验设计方案 比如 Sun等发展了GOD在纳米金表面的共价固定 5 以及基于层层组装技术 layer by layer LBL 的多层设计 6 Ju等 7 发展了掺入GOD和纳米金颗粒的碳糊电极 Chen等 8 发展了壳聚糖和纳米金的联合运用 除此之外 人们有合成了如H2O2 含磷杀虫剂 胆固醇 免疫球蛋白等各种酶类传感器 为农业 医药等领域做出了巨大贡献 纳米银 铂与金的性质相似 碳纳米管 carbonnanotubes CNTs 自从1991年首次被报道以来 可以说是被研究得最多的纳米材料 对其理化性质的深入了解 以及对其功能的不断开拓 为其在生物传感器构建中的广泛应用打下了基础 与纳米金一样 CNTs同样也具备极好的电子传递能力 蛋白质的高负载能力以及良好的生物相容性 而且 由于CNTs本身的物质基础就是碳 因此其功能化将更为方便和多样 此外 由于CNTs为一维纳米材料 意味着CNTs在电极表面的组装将呈现网络状 因此 非常有利于蛋白质的固定 图4 A 葡萄糖氧化酶修饰的单壁碳纳米管的原子力显微镜照片 B 葡萄糖氧化酶 单壁碳纳米管共修饰的玻碳电极在无 曲线c 或有 曲线b 二茂铁一元酸 以及加入50mmol L葡萄糖 曲线a 后的循环伏安图 76 Davis的GOD实验 CNTs进展需要提出的是 由于CNTs难以具备纳米金那样良好的形态分布 因此对有序的表面组装提出了挑战 另外 大多数蛋白质的尺寸都属于零维的纳米级 因此在一维的CNTs表面组装相对而言缺少灵活性 出于这些考虑 将CNTs与零维的纳米颗粒 如纳米金 纳米铂等联合运用 在一定程度上可以克服两者在某些方面的缺陷 因而也是传感器构建中的良好策略 纳米氧化物除了具备纳米材料共有的一些性质外 还依材料的不同具备一些特殊的效应 比如纳米Fe3O4的磁效应 纳米TiO2的光电效应等 而这些效应在新型生物传感器的构建中可以产生一些意想不到的效果 磁效应 光电效应 纳米科技与电化学技术的结合和相互渗透 为基于蛋白质构建生物传感器提供了重大的创新机遇和诱人的市场前景 各种具有优良性能的纳米材料在生物传感器构建中的应用 不仅大大提升了生物传感器的性能 还拓宽了生物传感器的适用范围 为其在临床检测 食品安全 环境监测 医疗卫生等领域的应用开辟了新的道路 但是新技术的出现也面临着新的挑战 如何实现原位