纳米技术在生物传感器及检测中的应用

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收稿日期：２００５一０８一０１ 作者简介：王丽江（１９７８一）女，在读博士研究生，研究方向为生物医学传感器，ｗａｎｇｌｑｉａｎｇ＿ｚｊｕ＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ ｃｎ；
王平（１９６２一）勇，教授，祷±生导繇，研究方商为燕物医学传感技术，ｃｎｐｗａｎｇ＠ｍ《｝。ｂｍｅ．２５ｕ．ｅｄｕ．ｃｎ。
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中圈分类号：Ｔ残１２。３
文献标识鹨：Ａ 文章编号：ｌ∞４．１６９９（２嵇０６）∞国５８董∞７
纳米技术是在１～１００ ｎｍ尺度上研究物质的 结构和性质的多学科交叉的前沿技术。１９５９年，美 国物理学家Ｒｉｃｈａｒｄ首次提出了在纳米空间操纵物 质的概念。Ⅸｅｘｌｅｒ将纳米技术定义为“分子制造的 产ｌｌ；！｝和过程，即操纵分子并进行分子装配所形成的 产物及其控制过程”［１］。纳米生物技术是用于研究 生命现象的纳米技术，是纳米技术和生物技术的结 合，它是在分子水平上，结合物理，化学和遗传规律 对生物材料进行加工，其最终目的是组装成一系列
高度功能化的体系，包括：纳米生物传感器，纳米成 像，纳米生物芯片，纳米生物相容性人工器官，药物 和基因转运纳米载体等，这些研究多以早期诊断疾 病，提高临床疗效和改良生物晶种为舀标。另一方 蕊，医学和生物技术在疾瘸诊断与治疗方嚣的遴震 依赖于对生化过程的深入理解。疾病的诊断追踪到 分子水平的异常，称为分子诊断，并可以根据该异常 来制定针对单个病人的个性化治疗方案。分子诊断 技术除应用予帷床诊断外，在生物研究、生化武器的
（２）量子尺寸效应：介于原子、分子与大块固体 之间的纳米颗粒，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。 当热能、电场能或磁能比平均的能级间距还小时，就 会呈现一系列与宏观物质截然不同的反常特性。
（３）表面效应：纳米粒子表面原子数与总原子 数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上 的变化。球形颗粒的表面积与直径的平方成正比， 其体积与直径的立方成正比，故其表面积／体积之比 （即比表面积）与直径成反比。随着球形颗粒直径变 小，其比表西积将会显著增大，使之具有很高的表面 化学活性。表面效应主要表现为熔点降低，比热增 大等。
所合成硅颗粒的特征是通过尺度、光学或者磁
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第３期
王丽江，陈松月等：纳米技术在生物传感器及检测中的应用
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图１ 倒转微乳化法制备的纳米硅颗粒的透射电镜 （ＴＥＭ）图（上图）。染料掺杂硅颗粒的ＴＥＭ图： （左）４００ ｎｍ±１０ ｎｍ；（中）６３ ｎｍ士４ ｎｍ；（右）２
帆（中图）．Ｓｔ抽ｅｒ方法制备的硅颗粒的扫描电镜
Ｆｉ轮ａｌｌｙ，ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｌｎｅｎｔ ｏｆ ｔｈｉｓ ｆｉｅｌｄ ｉｎ ｔｈｅ ｆｕｔ驻ｒｅ、酽ａｓ ｐｒｏｓｐｅｃｔｅｄ。
ｌ畸Ⅵ删ｓ：ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｎａｎｏｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅ；ｎａｎｏｂｉｏｓｅｎｓｏｒ；ｂｉｏｄｅｔｅｃｔｉｏｎ
ＥＥＡＣＣ：７２３０Ｊ
２纳米颗粒的制备和修饰
除了纳米颗粒的特性，其组成成分对予他们的 适用性也是非常重要的，如成分决定了缡米探针与 被分析物的兼容性和甄配性，也决定了检测精度能 达到什么级舅｜ｊ。最常觅用来制备纳米颗粒酶原材料 是金，硅和半导体（如ＣｄＳｅ，ｚｎＳ，Ｃ舔）等口ｌ。
金对于纳米生物技术来讲楚一种活性材料，阂 为金纳米颗粒能与巯基之阉发生强的共价键合［４ｌ， 这使得胶态金与巯基标记的生物活性分子可结合形 成的探针，带于生物体系的检测中。Ｆｒｅｎｓ瞪］较翠用 柠檬酸三钠还原｝｛ＡｕＣｔｔ得到纳米级胶体金颗粒。 据此，研究者迸一步优化此方法合成了直径在１３ ｎｍ左右的纳米金。纳米金较容易被改良，因为它 具有微弱的带电配体的结合屡，能保持稳定；而 ＣｄＳｅ和ＣｄＳ量子团则很难被改良，因为它们的活 性表面容易被结合也难以被取代西］。改良纳米金的 方法现在已经最优化，适合予大范围的粒径及多种 表面组分口伽。借用纳米金表面易被修饰的特性， Ｍｉｒｋｉｎ［嘲提出了一种合成金壳银核的核一壳型纳米 颗粒的方法，该方法中，薄金壳包裹在银纳米粒子表 面，形成一种金外包被的颗粒，它易于被烷基修饰的 寡核苷酸共价结合，从而形成新型的银／金核一壳探 针。该纳米颗粒即保持银的化学和物理特性，又具 有金的稳定性＃这种新型纳米探针与纯金体系的探 针有完全不同的色度改变，所以二者可用来检测同 一样本中两种不同的目标ＤＮＡ。
纳米技术在生物传感器及检测中的应用
王丽江１，陈松月，刘清君，王 平２
（浙江大学生耪传感器国家专盏实验室，生物送学工程教育部爨点实验室，生物医学工程与仪器科学学院，杭州３ｌ００２７）
摘 要：纳米生物技术是纳米技术与生物技术交叉渗透形成的新技术，是纳米技术的重要组成部分，也是将来生物医学领域
中的一个重要发展方向。纳米颗粒是生物医学中研究最多、应用最广的纳米材料，有着许多独特的性质。本文叙述了近年来
第１９卷第３期 ２００６年６月
传感技术学报
ＣＨＩＮＥＳＥ ＪＯ叫ＲＮＡＬ ＯＦ龇烈ＳＯＲＳ ｍｑＤ ＡＣ”ＩＡＴＯＲＳ
ｖｏｌ。１９ Ｎｏ。３ Ｊｕｎ．２００６
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｌ拶ｉｎ ｔｈｅ Ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ ａｎｄ Ｂｉｏｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｆｉｅｌｄ
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（ＳＥＭ）图（下图）。
学特性来描述的。可用透射电镜或扫描电镜来确定 纯硅颗粒的粒径，一般直径在６０～１００ ｎｍ之间。 染料掺杂硅颗粒中的染料分子可以是双吡啶钌 （ＲｕＢｐｙ－）、若丹明、四甲基右旋糖苷以及荧光素右 旋糖苷等，这种硅颗粒的大小和光学特性是决定其 用途的最主要因素。磁性硅颗粒包括Ｆｅ。Ｏ。／ＳｉＯｚ 和ＦｅｚＯｓ／ＳｉＯｚ两种，其直径大约在２～３ ｎｍ；用超 导量子干扰装置（ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｑｕａｎｔｕｍ ｉｎｔｅｒ— ｆｅｒｅｎｃｅ ｄｅｖｉｃｅ，ＳＱＵＩＤ）来分析其粉末形式，发现磁 性硅颗粒的特性接近超顺磁性物质，可见大小和磁 学特性将决定磁性硅颗粒的最佳合成条件［１４］。
传感技术学报
２００６年
检测，新药研发和治疗新方法的评估，鳃基因治疗秘 ＲＮＡ干扰等方面的地位也十分关键。虽然如今已 存在众多用于疾病诊断和治疗的方法，但是采魇接 近分子水平的研究工具，如纳米颗粒，纳米探针或其 他一些纳米材料，将会更好地理解和揭示疾病的发 生发展机制。与微加工技术革命化电子工鼗一样， 纳米技术也正为包括基础研究、疾病诊断和治疗在 内的生物医学领域的发展带来新的契杌。本文将评 述目前国际上以纳米颗粒（ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ，ＮＰｓ）为 基础的纳米技术在生物传惑器及生物检测中的最薪 应用及发展前景。
国际上泼缡米鬏粒隽基础的纳米技术在生物传感器及生物检测中的研究成果和进震，介绍了纳米颗粒的制备方法，泼及它们
在纳米生物传感器和纳米生物芯片中的应用，结会纳米病愿微生物检测也分缨了我们进纷的有关免疫传感器检测纲墓的研
究成果。最后，对该领域的应用前景进行了展望。
关键词：纳米技术；纳米生物学技术；纳米颗粒；纳米生物传感器；生物检测
ｌ纳米颗粒的特性
纳米颗粒通常大于１ ｎｍ，是生物医学领域超用 最广的纳米材料，也是陶前研究褥最多的纳米材料 之一。实现对纳米颗粒的尺寸大小、粒度分布、形 状、表面修饰的控制，以及它们光电化学中的应用， 是纳米颗粒研究的关键。这种介于微观与宏观之间 的一类新的物质层次，出现了许多独特的性质［２］。
（１）小尺寸效应：随着颗粒尺寸的变小，在～定 条件下会引起颗粒性质的变化。由予颗粒尺寸变小 引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对纳 米颗粒而言，尺寸变小的同时，其比表面积亦显著地 增加，表面原子的电子能级离散、能隙变宽，晶格改 变，表面原子密度减小，从而产生一系列新的性质： 特殊的光学性质——所有的金属在超微颗粒状态都 呈黑色，尺寸越小，颜色越黑，对光的反射率可低予 １％；特殊的热学性质——超细颗粒的熔点显著降 低，当颗粒小于ｌｏ纳米量级时尤为明显。
（４）宏观量子隧道效应：隧道效应是基本的量 子现象之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高度 时，该粒子仍能穿越这势垒。近年来，人们发现一些
宏观燕如微颗粒的磁化强度、量子榻于器件中的磁 通量及电荷等也具有隧道效应，它们可以穿越宏观 系统的势垒恧产生变化，故称之为宏观的量子隧道 效应。
＜５）体积效应：由于纳米颗糍体积极小，腰包禽 的原子数很少，因此，许多与界露状态有关的诸如吸 附、催纯、扩散、烧结等物理、化学性质将与大颗粒传 统材料的特性显著不同，就不能用通常毒无限个原 子的块状物质的性质加以说明。
ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｔｈｅ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｒ１１ｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅ，ｔｈｅ ａｐｐ“ｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｎａｎｏｐ鑫ｒｔｉｃｌｅ ｉｎ毫ｈｅ ｎａｎｏｂｉｏｓｅｎｓｏｒ ａｎｄ ｎａｎｏｂｉｏｃｈｉｐ，ａｎｄ ｓｏｍｅ ｒｅｌａｔｅｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｗｏｒｋ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｉｎ ｏｕｒ ｌａｂ．
量子点（ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔｓ，ＱＮｓ）是一种半导体晶 体材料的纳米颗粒，直径在１０ ｎｍ以内，较普通细 胞的体积小数千倍，具有吸收波长范围宽和发射波 长范围窄的特性，不同材料的量子点还会发出不同 的荧光。用做量子点的材料有硒化镉（ＣｄＳｅ）、硫化 锌（ＺｎＳ）、砷化铟（ＩｎＡｓ）等，在近几年的研究中硒 化镉最受重视。量子点的合成途径有多种，从传统 荧光标记的量子点［１６。７］到用作测量各向异性的拉长 “纳米杆”［１８。叼；较经典的是“由下向上”的一步法反 应，即同一容器中，无机物的化学转化与纳米结晶过 程Ｌ２０】。最初使用的量子点小于１０ ｎｍ，比金属及磁 性纳米颗粒的表面积更小，其发光效率也低，还容 易发生光化学降解和聚集。ＣｄＳｅ／ＺｎＳ是化学合成 的无机物，为了增加其胶体稳定性、水溶性和减少非 特异性吸附及细胞内聚集，并减少被网状内皮系统 的吞噬，常对其进行亲水性处理：一种是用表面活性 剂，如二氢硫辛酸、巯基乙酸等处理其表面，或用聚 乙二醇ＰＥＧ修饰包被的聚合物；另一种是在其表面
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包被蛋白质，如卵白素、生物素、链亲和素等，这样使 其表面获得亲有机物的巯基、羧基等活性基团，以结 合蛋白质、抗体、肽或核酸［２卜２５｜。另外，由于ＣｄＳｅ 与ＺｎＳ以静电结合而成，表面带负电荷，可结合带 中性电荷或阳性电荷的蛋白质及抗体（如ＩｇＧ 等）［２６埘］。
硅是一种在生物分析中被广泛采用的材料，如 生物传感器，生物芯片等。它可以通过多种加工技 术合成，用来制备纳米颗粒、透明薄膜以及固体平面 材料。硅纳米颗粒的制备有两种经典的途径，一种 是倒转微乳化法［１２－１３］，主要是用来合成染料掺杂硅 颗粒和超小磁性硅颗粒；另一种是Ｓｔ６ｂｅｒ方 法［１扯１５］，用于制备纯硅颗粒和有机染料掺杂硅颗粒 （见图１）。
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