功能性納米材料在電化學(xué)免疫傳感器中的應(yīng)用

陳科陳素萍

（1. 湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南衡陽(yáng) 421005；2.南華大學(xué)附屬第一醫(yī)院，湖南衡陽(yáng) 421001）

功能性納米材料在電化學(xué)免疫傳感器中的應(yīng)用

陳科1陳素萍2

（1. 湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南衡陽(yáng) 421005；2.南華大學(xué)附屬第一醫(yī)院，湖南衡陽(yáng) 421001）

免疫傳感器是基于親合作用，將選擇性免疫反應(yīng)與適合的信號(hào)轉(zhuǎn)換技術(shù)結(jié)合起來，用以監(jiān)測(cè)抗原-抗體反應(yīng)的生物傳感器，逐漸在許多領(lǐng)域得到快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。在近年來的電化學(xué)免疫傳感器主要研究方向，大致上是提升靈敏度、精確性、選擇性、加速反應(yīng)時(shí)間，而本文將使用單壁納米碳管當(dāng)作電極，利用其具備良好的導(dǎo)電性、超高表面積比，透過改質(zhì)后的納米碳管管壁與管端可與生物分子鍵結(jié)，且保持生物分子的活性，極具電化學(xué)免疫傳感器的象征意義。本文將具體結(jié)合相關(guān)理論和分析，對(duì)功能性納米材料在電化學(xué)免疫傳感器中的應(yīng)用進(jìn)行研究。

功能性 納米材料 電化學(xué) 免疫傳感器

免疫傳感器的一般工作原理為固定在換能器上的抗體（抗原）對(duì)樣品介質(zhì)中的抗原（抗體）進(jìn)行選擇性免疫識(shí)別，并且產(chǎn)生隨分析物濃度的變化而變化的分析信號(hào)。在抗體的不同區(qū)域和抗原決定簇之間的高選擇性反應(yīng)主要包括疏水力、靜電作用力、凡德瓦爾力和氫鍵作用力。近年來納米材料在電化學(xué)免疫傳感器上的應(yīng)用也發(fā)展得相當(dāng)迅速。由于納米材料具有表面積大、表面反應(yīng)活性高、表面活性中心多、催化效率高和吸附能力強(qiáng)等優(yōu)異性質(zhì)，將納米微粒應(yīng)用于電化學(xué)免疫傳感器中，可以提高傳感器測(cè)量的靈敏度、準(zhǔn)確性、減少采血量和檢測(cè)時(shí)間［1］。作為免疫分析技術(shù)的一個(gè)重要分支，免疫傳感器除了具有傳統(tǒng)免疫分析方法所共有的性能特點(diǎn)外，還具有高選擇性、高靈敏度、可逆性和 詴劑利用的高效率等優(yōu)點(diǎn)。另外，免疫傳感器大都制備簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、數(shù)字化和微型化，因此可以避免傳統(tǒng)免疫分析方法所附帶的一系列問題，故在臨床分析、環(huán)境分析和生物監(jiān)測(cè)過程中顯示了強(qiáng)大的應(yīng)用潛力［2］。因?yàn)槊庖邆鞲衅鞒Ｓ脕頊y(cè)量源于分析物和固定的抗體/抗原之間的反應(yīng)而產(chǎn)生的信號(hào)，所以將抗體（抗原）固定在原始換能器表面的固定化過程在免疫傳感器制備中有著重要的作用。大量的固定法已用于各種免疫傳感器，如靜電吸附、包覆法、交聯(lián)法、共價(jià)鍵結(jié)合法等。

1 電化學(xué)免疫傳感器的工作原理

由于電化學(xué)免疫傳感器具有高靈敏度、低成本和便攜等優(yōu)點(diǎn)，成為免疫傳感器中研究最早、種類最多，也較為成熟的一個(gè)分支。電化學(xué)免疫傳感器的基本工作原理是：采用電化學(xué)檢測(cè)方法來檢測(cè)標(biāo)記的免疫 詴劑或一些由酶、金屬離子和其它電活性物質(zhì)標(biāo)記的標(biāo)記物，從而對(duì)疾病診斷或病人狀態(tài)監(jiān)測(cè)中復(fù)雜系統(tǒng)的多組混合物進(jìn)行分析提供有力數(shù)據(jù)［3］。用于電化學(xué)免疫傳感器檢測(cè)中的換能器主要分為電位型、電導(dǎo)型、電容型、阻抗型和安培型等裝置。電位型傳感器現(xiàn)在已經(jīng)被公認(rèn)為是一種成熟的傳感器，已有大量的商品化產(chǎn)品。對(duì)于電位型傳感器，當(dāng)電流流動(dòng)為臨界點(diǎn)時(shí)，換能器界面處于平衡狀態(tài)，此時(shí)電極或者表面修飾膜的電位變化與溶液中特定金屬離子活性呈對(duì)數(shù)比例關(guān)系，這就是電位型換能器的基本工作原理。這類生物傳感器具備制備簡(jiǎn)單、操作容易及選擇性良好的優(yōu)點(diǎn)［4］。

2 功能性納米材料技術(shù)

與塊狀物質(zhì)相比，金屬和金屬氧化物納米粒子由于其新穎的材料特性，近年來已被廣泛研究。少于50個(gè)金屬原子小團(tuán)簇可以產(chǎn)生像大分子一樣的效果，但大于300個(gè)原子的大團(tuán)簇表現(xiàn)出大體積樣品的性質(zhì)，介于這兩種極端之間的材料，通常為納米材料，有許多未知的化學(xué)和物理性質(zhì)，這也是許多研究一直集中于納米材料的一個(gè)原因。納米材料具有依賴于其尺度的光、電和化學(xué)性能［5］。納米材料可以應(yīng)用到許多領(lǐng)域，如光學(xué)器件、電子器件、催化、感測(cè)技術(shù)、生物分子標(biāo)記等?？紤]納米粒子的優(yōu)點(diǎn)，如大面積、高催化性和良好的親和性，如今，多種納米材料已被用來包覆蛋白質(zhì)。常用的有納米碳管（CNTs）、金膠體（Au colloidal）、量子點(diǎn)以及納米二氧化鈦。CNTs自從1991年被發(fā)現(xiàn)以來，引起了一股研究熱潮。納米直徑的圓筒形石墨片狀的CNTs具備高電導(dǎo)率、良好的化學(xué)穩(wěn)定性、非常顯著的機(jī)械強(qiáng)度和成模性。納米碳管可以與DNA分子自組裝（self-assembly）。根據(jù)理論預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，DNA/CNTs 層可作為新的電子材料［6］。由于DNA溶液可以膠化，混合的DNA/CNTs層能夠在金屬電極表面保持穩(wěn)定，可以用來研究一些電化學(xué)現(xiàn)象或檢測(cè)一些蛋白質(zhì)性質(zhì)。此外，帶正電荷的蛋白質(zhì)可被固定在帶大量負(fù)電荷的DNA修飾層上。多壁納米碳管與DNA混合后，可成功地固定在鉑電極表面，更進(jìn)一步的研究表示，細(xì)胞色素C可被強(qiáng)吸附在修飾電極表面形成一種近似的單分子層。

納米技術(shù)的快速發(fā)展為納米粒子在生物傳感器和生物分析中的應(yīng)用開拓了新的方向，由于其獨(dú)特的物理、化學(xué)性質(zhì)，納米粒子引起了納米科學(xué)家的極大興趣，這些性質(zhì)使其在化學(xué)和生物感測(cè)方面具有廣闊的應(yīng)用潛力。近年來，組成和空間結(jié)構(gòu)不同的納米粒子被廣泛應(yīng)用于不同生物分子識(shí)別的電學(xué)、光學(xué)和微量感測(cè)中。膠體金（Colloidal gold）和半導(dǎo)體量子點(diǎn)納米粒子在生物分析中應(yīng)用得非常廣泛。通過與生物識(shí)別反應(yīng)和納米生物電子的耦合作用，能極大地提高這兩種納米粒子的用途。納米粒子放大標(biāo)記以及納米粒子-生物分子的自組裝產(chǎn)生極大的信號(hào)增強(qiáng)作用，為制造超靈敏的光學(xué)和電學(xué)檢測(cè)奠定了基礎(chǔ)，其靈敏度可與聚合物酶鏈反應(yīng)（PCR）相比［7］。

納米材料獨(dú)特的性質(zhì)使其在設(shè)計(jì)具有高靈敏度和選擇性的核酸和蛋白質(zhì)檢測(cè)方法中具有廣闊的應(yīng)用前景。由于可以制得不同尺寸、組成和形狀的納米材料，調(diào)節(jié)其物理化學(xué)性質(zhì)，使其在生物感測(cè)和生物分析中得到廣泛的應(yīng)用。由于納米材料的小尺寸效應(yīng)，其性質(zhì)很大程度上受到與其結(jié)合的生物分子影響。近幾年，不同組成的納米粒子作為多種用途、靈敏的標(biāo)記物被廣泛地應(yīng)用于識(shí)別不同生物分子的電子、光學(xué)和微天 帄傳感器中。納米粒子放大標(biāo)記以及納米粒子-生物分子的自組裝產(chǎn)生極大的信號(hào)增強(qiáng)作用，這種技術(shù)結(jié)合了納米粒子-生物分子自組裝的放大特性和光學(xué)或電化學(xué)傳感器的高靈敏性，將多個(gè)基于納米材料的放大單元和過程結(jié)合，也能夠設(shè)計(jì)出多重放大器，滿足現(xiàn)代生物分析對(duì)更高靈敏度的需求［8］。金屬納米粒子獨(dú)特的催化性質(zhì)能在其本身或另一種金屬納米粒子的刺激下實(shí)現(xiàn)放大信號(hào)的功能。也可以通過將大量的能夠產(chǎn)生信號(hào)的分子封裝在納米粒子中以提高每個(gè)結(jié)合過程標(biāo)記物的數(shù)量，達(dá)到放大信號(hào)的目的。這些基于納米材料的生物感測(cè)和生物分析方法還能夠與其它的放大技術(shù)結(jié)合。如圖1所示。

3 基于功能性納米粒子的電化學(xué)免疫傳感器與應(yīng)用

基于抗體和抗原的特異性反應(yīng)，免疫傳感器為免疫劑的分析提供了一種靈敏的選擇性的方法。在此方法中，免疫材料被固定在傳感器上，通 過標(biāo)記物與其中一種免疫 詴劑的復(fù)合物對(duì)分析液進(jìn)行測(cè)量［9］。一般是通過測(cè)量標(biāo)記物的特異活性，例如放射性、酶活性、熒光、化學(xué)發(fā)光或生物發(fā)光對(duì)分析物進(jìn)行定量。但是每一種標(biāo)記物都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，含有金屬標(biāo)記物免疫檢測(cè)的金屬免疫檢測(cè)，以克服一般的放射性標(biāo)記，熒光標(biāo)記和酶標(biāo)記的缺點(diǎn)。電化學(xué)檢測(cè)的金屬免疫分析具有以下幾種優(yōu)點(diǎn)：如，檢測(cè)液用量少、樣品不用純化、靈敏度好、儀器設(shè)備相對(duì)便宜。盡管電化學(xué)技術(shù)能夠檢測(cè)到nanomole有機(jī)金屬化合物或金屬離子，與能檢測(cè)到pico-mole級(jí)的熒光檢測(cè)方法相比，靈敏度還不夠高。使每個(gè)結(jié)合物上含有最大量的金屬標(biāo)記物的理想方法是使用包含上千個(gè)金屬原子的金屬納米粒子。由于其優(yōu)越的氧化還原活性，膠體金是電化學(xué)免疫感測(cè)和免疫標(biāo)測(cè)標(biāo)記物的最佳選擇?，F(xiàn)已建立了一種基于金納米粒子循環(huán)累積的新方法，通過陽(yáng)極溶出技術(shù)檢測(cè)人的免疫球蛋白（IgG）［10］。在生物素存在下，脫巰基生物素和親合素的解離反應(yīng)為能夠分析最終定量的金納米粒子的循環(huán)累積提供了有效的路線。陽(yáng)極峰電流隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增大。五個(gè)循環(huán)的累積即可滿足該分析方法的需要。這種方法的優(yōu)點(diǎn)就是背景值很低，從而使人IgG的檢測(cè)極限可達(dá)0.1ng/ ml。如圖2、圖3所示。

4 結(jié)語(yǔ)

納米技術(shù)為設(shè)計(jì)超靈敏的生物傳感器和生物分析方法提供了很大的機(jī)會(huì)。納米粒子在生物傳感器放大和生物分子識(shí)別具有巨大的潛力及應(yīng)用價(jià)值。新的納米粒子感測(cè)技術(shù)的超強(qiáng)靈敏度，為常規(guī)方法檢測(cè)不到的疾病標(biāo)記物提供了可行性。這種高靈敏的檢測(cè)方法還能夠?qū)崿F(xiàn)疾病的早期診斷或預(yù)警。納米粒子標(biāo)記物在蛋白質(zhì)檢測(cè)中的應(yīng)用還處于起步階段。但超靈敏的DNA檢測(cè)中的應(yīng)用會(huì)為蛋白質(zhì)的檢測(cè)提供好的起步。

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Functional； Nano materials； Electrochemical； Immunosensor