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    基于納米氧化鋅的生物傳感器研究進(jìn)展(特邀)

    2022-11-25 08:32:20王雪文徐崢妍王凱歌張志勇趙武
    光子學(xué)報(bào) 2022年10期
    關(guān)鍵詞:薄膜納米生物

    王雪文,徐崢妍,,王凱歌,張志勇,趙武

    (1 西北大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,西安 710127)

    (2 西北大學(xué)物理學(xué)院,西安 710127)

    0 引言

    納米技術(shù)與多學(xué)科的交叉融合,被認(rèn)為是21世紀(jì)許多新興技術(shù)的源泉,它正引領(lǐng)和發(fā)展醫(yī)藥領(lǐng)域,并使藥物的性能得以提升;因它與生物結(jié)合具有提高生物利用度、增加藥物靶向性及其環(huán)境響應(yīng)特性、控制有效成分的釋放特性以降低藥物毒性等優(yōu)勢(shì)而在藥物研究和臨床治療等生物醫(yī)學(xué)方面呈現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景[1]。常規(guī)的生物檢測(cè)原理與傳感技術(shù)結(jié)合已形成了新型生物學(xué)檢測(cè)技術(shù)如生物傳感器和生物芯片等,將生物學(xué)信息感應(yīng)部件緊密連接或整合到傳感系統(tǒng)內(nèi),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)很多生物的特異、敏感檢測(cè),且具有快速、便攜以及操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn),如酶?jìng)鞲衅?、免疫(抗原或抗體)傳感器、組織傳感器、分子印跡傳感器等,被應(yīng)用到醫(yī)療診斷、食品工業(yè)、畜牧獸醫(yī)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、發(fā)酵工程等多個(gè)領(lǐng)域[2]。進(jìn)而將納米技術(shù)與生物技術(shù)交叉滲透形成了納米生物技術(shù)[3],開發(fā)出了納米生物傳感器,相比于傳統(tǒng)生物傳感器,因納米材料具有增強(qiáng)的電子轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)和強(qiáng)大的吸附能力等特點(diǎn),為生物電極提供更高的穩(wěn)定性,為更高的生物分子負(fù)載提供高表面體積比,并為包括酶、抗體、微生物、DNA 和其他多種蛋白質(zhì)等生物分子固定提供合適的微環(huán)境,因此,納米材料不僅可以大大提高傳感器的檢測(cè)靈敏度,也給單分子活性的分析提供了納米特性理論依據(jù)。納米與生物結(jié)合還可以提高臨床療效和改良生物品種,用于微生物檢測(cè)、體液代謝物監(jiān)測(cè)以及組織病變?nèi)缒[瘤的早期發(fā)現(xiàn)等方面。

    金屬氧化物納米材料具有高的活性、小尺寸效應(yīng)、從無結(jié)構(gòu)的寬吸收轉(zhuǎn)變?yōu)樘卣鹘Y(jié)構(gòu)吸收即顏色轉(zhuǎn)變、從鐵磁性向順磁性轉(zhuǎn)變等特性,其納米顆粒分散在空氣、水、固體、有機(jī)物等異質(zhì)介質(zhì)中會(huì)導(dǎo)致體系產(chǎn)生折射邊界即介電限域效應(yīng),所以,它們?cè)诖呋⑻綔y(cè)、能源、電極材料、場(chǎng)效應(yīng)晶體管、自驅(qū)動(dòng)納米器件等領(lǐng)域中都表現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用[4]。在各種金屬氧化物中,氧化鋅(Zinc Oxide,ZnO)是一種直接的、寬禁帶金屬氧化物半導(dǎo)體材料(Eg=3.37 eV)。與其他金屬氧化物相比,ZnO 納米結(jié)構(gòu)具有無毒性、穩(wěn)定性高、電化學(xué)性能好、生產(chǎn)成本較低、生物相容性良好、結(jié)構(gòu)形貌豐富等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注,并且可以利用ZnO 的等電位點(diǎn)較高(IEP=9.5)特點(diǎn),通過靜電吸附相互作用結(jié)合固定蛋白質(zhì)等低等電位點(diǎn)的生物分子[5]。加之,ZnO 材料具有很強(qiáng)的紫外線吸收特性[6]即優(yōu)異的紫外線阻隔性能,添加納米ZnO 的成品織物表現(xiàn)出抗紫外線、抗菌和除臭劑等功能[7];ZnO 材料對(duì)一氧化碳、乙醇、氫氣、二氧化氮和其他氣體敏感,當(dāng)ZnO 吸附還原性氣體時(shí)電阻率隨著氣體濃度的增加而降低,相反,當(dāng)氧化性氣體被吸附時(shí)電阻率隨著氣體濃度的增加而增加,已有添加催化劑的ZnO 酒精、氟利昂氣體傳感器等產(chǎn)品;ZnO 材料的光催化性能可用于環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域,其浪涌特性的避雷器已用于電子和通信工業(yè)領(lǐng)域。ZnO 的這些特性、功能和相應(yīng)電子器件的應(yīng)用都屬于人類生物活動(dòng)檢測(cè)、監(jiān)測(cè)和防護(hù),已成為化學(xué)、物理、生物等多個(gè)學(xué)科及其交叉學(xué)科研究的熱點(diǎn)[8]。近年來,ZnO 在生物傳感器的應(yīng)用研究方面逐年深入。如2006年LI Yinfeng 等研制了一種基于ZnO 納米顆粒固定化酪氨酸酶的無介質(zhì)苯酚生物傳感器,通過靜電作用將低等電點(diǎn)酪氨酸酶吸附在高等電點(diǎn)ZnO 納米顆粒表面,然后將殼聚糖成膜固定在玻碳電極上[9];2009年CHEN Xi 等研究了二氧化硅(SiO2)緩沖層ZnO 基勒夫波(Love)波生物傳感器的溫度穩(wěn)定性[10];2013年ZHAO M 等發(fā)現(xiàn)了三元金屬氧化物ZnFe2O4納米顆粒的類過氧化氫酶作用,利用ZnFe2O4/ZnO 異質(zhì)結(jié)對(duì)雙氧水實(shí)時(shí)、快速、便捷的傳感檢測(cè)[11];2020年BAGYALAKSHMI S 等將葡萄糖氧化酶固定在殼聚糖膜上制備ZnO 納米棒型酶促葡萄糖生物傳感器,其氫離子濃度指數(shù)(Hydrogen Ion Concentration:pH)電極是廣泛應(yīng)用于血糖儀中的電化學(xué)傳感器,采用電化學(xué)吸附法研究了垂直生長(zhǎng)的ZnO 納米棒與殼聚糖結(jié)合對(duì)葡萄糖的傳感[12];2022年EVENESS J 等開發(fā)了一種獨(dú)特的共面電極PET-ZnO 生物傳感器平臺(tái)的等效電路模型,這種非法拉第ZnO 生物傳感器在電極和活性ZnO 傳感器表面之間有一個(gè)熱塑性聚酯(Polyethylene Terephthalate:PET)絕緣層,并用阻抗譜測(cè)量不同濃度的c-反應(yīng)蛋白(CRP)[13];2022年KIRAN G 設(shè)計(jì)了基于MgZnO/ZnO 金屬氧化物半導(dǎo)體高電子遷移率晶體管(Metal Oxide Semiconductor High Electron Mobility Transistor,MOS HEMT)的一種納米間隙空腔生物傳感器,用于檢測(cè)各種生物分子,如尿酸酶、鏈霉親和素、ChOx 和蛋白質(zhì))[14];2022年SHARIATI M 等研發(fā)了鉬摻雜ZnO 納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管生物傳感器,用于乙型肝炎病毒脫氧核糖核酸(Deoxyribonucleic Acid,DNA)的臨床診斷與聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(Polymerase Chain Reaction,PCR)檢測(cè)[15]??梢?,多種形貌的ZnO 納米材料已經(jīng)被廣泛用于構(gòu)建多種新型的生物傳感器,而且已經(jīng)有基于ZnO 的多種結(jié)構(gòu)和原理的生物傳感器。本文將主要介紹納米ZnO 的幾種合成方法以及相關(guān)生物傳感器的結(jié)構(gòu)、原理和應(yīng)用案例。

    1 納米ZnO 的合成方法

    ZnO 納米材料因其豐富的形狀、結(jié)構(gòu)和大小而具有優(yōu)異的特性。零維ZnO 納米材料即量子點(diǎn)具有明顯的量子限制效應(yīng),隨著粒徑的減小,能隙會(huì)增大[16],有利于光生載流子的產(chǎn)生和擴(kuò)散,因此,適用于光催化材料和短波長(zhǎng)光電子器件。一維(One-dimensional:1-D)ZnO 納米結(jié)構(gòu)包括棒、管、帶、環(huán)、針等形狀,二維(Twodimensional:2-D)的有納米板、納米片等結(jié)構(gòu),三維(Three-dimensional,3-D)的有花狀、雪花、海膽和蒲公英(樹枝狀)顆粒等結(jié)構(gòu)。典型形態(tài)納米ZnO 的掃描電子顯微形貌如圖1[17],其中1-D ZnO 納米材料具有高的長(zhǎng)徑比、高的熱傳導(dǎo)率和高的機(jī)械強(qiáng)度等特點(diǎn);其高的長(zhǎng)徑比使得1-D ZnO 的壓電效應(yīng)更加明顯,適用于壓力傳感器;二維ZnO 納米材料通常優(yōu)先沿c軸定向,比較適用于高頻聲表面波(Surface Acoustic Wave,SAW)器件;而三維ZnO 納米材料通常具有立體結(jié)構(gòu)和高的表面積比,這有助于提高其表面活性,使其對(duì)生物分子更敏感,因此,非常適合制備生物傳感器。

    就不同結(jié)構(gòu)的納米ZnO 材料而言,ZnO 的合成工藝技術(shù)起著決定性作用,近年來已報(bào)道了大量不同的穩(wěn)定ZnO 納米材料的合成技術(shù)如溶膠-凝膠法、水熱法、磁控濺射法、原子層沉積等,其中最簡(jiǎn)單的水熱法若使用的不同參數(shù)(如原料成分和比例或前驅(qū)體濃度、生長(zhǎng)溫度、催化劑和時(shí)間等),就會(huì)影響納米ZnO 材料結(jié)構(gòu)和性能。接下來將闡述納米ZnO 的幾種合成技術(shù)、不同工藝參數(shù)及其所合成ZnO 的不同形貌和性能表征范例。

    1.1 水熱法

    水熱法是指將前驅(qū)體反應(yīng)物溶解成溶液后放入密封的壓力容器中,其溶液中的物質(zhì)經(jīng)過高溫高壓環(huán)境的反應(yīng)后合成、結(jié)晶生長(zhǎng)以制備出納米材料的方法。相比于其他納米材料制備技術(shù),水熱法因其設(shè)備簡(jiǎn)單并易操作、低成本、環(huán)保,并且所制備的樣品純度高、摻雜和生長(zhǎng)均勻等優(yōu)點(diǎn)而成為制備1-D 和2-D ZnO 納米材料最常用的方法之一。

    VAYSSIERES L 等[18]在2001年使用水熱法在導(dǎo)電玻璃上制備出高取向的ZnO 三維陣列微管,其制備流程為:將放有六亞甲基四胺和硝酸鋅(Zn(NO3)2·4H2O)的等摩爾水溶液和導(dǎo)電玻璃片的反應(yīng)釜放入實(shí)驗(yàn)室烤箱中以95℃的恒定溫度加熱數(shù)小時(shí),隨后將玻璃片上的薄膜用超純水徹底清洗以去除殘留鹽或氨基絡(luò)合物中的雜質(zhì),并在相似溫度的空氣中干燥制備出了陣列微管。2003年他們?cè)谒芤褐猩L(zhǎng)出ZnO 陣列納米棒和納米線[19],其納米棒以垂直方式定向、均勻地排列在基板上,且尺寸較大,其俯視圖和側(cè)視圖如圖2。GREENE L E 等[20]于2003年利用種子層沉積和納米棒生長(zhǎng)的兩步水熱法流程,在任意尺寸的任意襯底上合成生長(zhǎng)出了高表面積的ZnO 納米線陣列,發(fā)現(xiàn)使用小的、均勻的ZnO 納米晶體作為種子層有助于生產(chǎn)直徑相對(duì)較小的納米線。MANVI T 等[21]于2014年在鉑(Pt)包覆硅襯底上先制備ZnO 納米籽晶層,再采用水熱法合成出花狀形貌ZnO 納米結(jié)構(gòu),并研究了此結(jié)構(gòu)與單鏈硫代DNA 探針的相互作用,發(fā)現(xiàn)其可為DNA分子的固定化提供一個(gè)有用的平臺(tái)。

    本課題組的李林等早在2009年就用水浴法即常壓水熱法,利用在硅片上先制備出的ZnO 納米薄膜作為晶種層,并將硝酸鋅和六次甲基四胺(HTM)的水溶液在水浴中加熱到90℃在不同的襯底上制得ZnO 納米棒[22],并發(fā)現(xiàn)其具有良好的場(chǎng)發(fā)射性能,以及操作方便,設(shè)備簡(jiǎn)單,工藝成本低等優(yōu)勢(shì)。課題組閆軍鋒等在2012年采用水熱法制備了不同濃度銻(Antimony:Sb)摻雜3-D 菊花狀ZnO 納米線團(tuán)簇(如圖3)[23],發(fā)現(xiàn)所制備的六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的Sb 摻雜ZnO 都具有均勻的三維菊花狀結(jié)構(gòu),其長(zhǎng)細(xì)比不同、花蕾飽和度明顯不同,摻雜Sb 的ZnO 有良好的介電損耗特性,且隨摻雜濃度的增加而增大。課題組張志勇等[24]于2018年用簡(jiǎn)單的兩步水熱法成功合成了新型刷狀(B-)SnO2@ZnO 分級(jí)納米結(jié)構(gòu)(HNS),開發(fā)的二氧化氮(NO2)氣體傳感器性能優(yōu)異,包括選擇性好、超靈敏、響應(yīng)快、檢測(cè)范圍廣和檢測(cè)限低,且其HNS 獨(dú)特結(jié)構(gòu)是出色傳感性能的主要因素,也證明了一維材料的異質(zhì)組合用于優(yōu)異傳感應(yīng)用的可能性。

    水熱法優(yōu)點(diǎn)眾多,可以通過控制工藝參數(shù)(合適的反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間等)條件、流程(兩步、異質(zhì))來控制所制備納米ZnO 的形貌、尺寸,尤其是原料摻雜對(duì)納米結(jié)構(gòu)的形成及形貌有顯著影響,可以影響其形貌或抑制納米結(jié)構(gòu)的形成,從而改善其所需性能[25]?,F(xiàn)代表征技術(shù)表明采用不同的生長(zhǎng)條件所制備出不同形狀的ZnO 納米晶體的表面表現(xiàn)出不同晶面,用發(fā)射的可見光來分析晶體結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)機(jī)理發(fā)現(xiàn)存在一些局限性,鋅的表面傾向于摻入雜質(zhì)陽離子、氧的表面傾向于產(chǎn)生非輻射的深能級(jí),即合成材料中的晶體缺陷也是不可避免的[26],應(yīng)用時(shí)需要采用某些方式來改進(jìn),如納米金修飾單個(gè)ZnO 微棒可以增強(qiáng)光電性能,修飾的Au/ZnO 納米材料在未來納米光電器件和生物傳感方面才有良好的應(yīng)用前景[27]。

    1.2 磁控濺射法

    用磁控濺射法制備納米ZnO 薄膜具有沉積速率高、襯底溫度低、工藝易于控制等優(yōu)點(diǎn),成為目前ZnO 納米材料制備最廣泛的方法之一。2005年WANG W W 等[28]通過直流反應(yīng)磁控濺射將高性能鋁摻雜氧化鋅(ZnO:Al)薄膜沉積在玻璃襯底上,其工作原理為:讓入射電子在電場(chǎng)作用下加速并與氣體分子發(fā)生碰撞,分子電離為離子在電場(chǎng)作用下也被加速且以高能量轟擊Zn:Al 靶表面,靶材被濺射出Zn 或Al 原子沉積在襯底表面并與氧合成為ZnO:Al 薄膜,所制備薄膜的形貌、厚度和性能可以通過調(diào)節(jié)濺射功率、沉積時(shí)間和襯底溫度來控制;與相同條件下制備的純ZnO 薄膜相比,ZnO:Al 薄膜在ZnO 被Al 摻雜過程中Zn2+替換為Al3+改善了其結(jié)晶度,且沉積在襯底上的濺射顆粒的能量隨著濺射功率的增加而增加,因此提高了薄膜層的密度和沉積薄膜與基板之間的附著力。2007年CHOOPUN S 等[29]用射頻濺射法制備出了ZnO 納米帶,并將其用于乙醇傳感器的研究,發(fā)現(xiàn)該傳感器的靈敏度和響應(yīng)時(shí)間與乙醇濃度和操作溫度有關(guān),且最佳操作溫度為220℃。2015年GHORANNEVIS Z[30]通過直流磁控濺射在有透明導(dǎo)電薄膜的玻璃襯底上制備出鋁摻雜ZnO(Al/ZnO)薄膜,研究了基底溫度對(duì)Al/ZnO 薄膜結(jié)構(gòu)、形貌和光學(xué)性能的影響,發(fā)現(xiàn)襯底溫度升高會(huì)導(dǎo)致薄膜表面的晶粒尺寸增加,并且光學(xué)帶隙能量也因?yàn)楸∧さ钠骄穸仍黾佣S著襯底溫度增加。2020年SIVASAKTHI P 等[31]在石墨片(Graphite sheet,GS)上采用射頻(Radio Frequency,RF)磁控濺射法制備了納米ZnO 薄膜,發(fā)現(xiàn)隨著襯底溫度升高薄膜的晶粒尺寸、結(jié)晶度和電化學(xué)活性表面積也會(huì)提高;與其他溫度下濺射的薄膜相比,400℃下所制備的ZnO/GS 薄膜電極,用于檢測(cè)溶解的有機(jī)持久性多酚污染物(Persistent Organic Phenolic Pollutants,POPP),具有高靈敏度、穩(wěn)定性、再現(xiàn)性和可重復(fù)性。2021年CORREA M A 團(tuán)隊(duì)[32]用掠射角沉積(Glancing Angle Deposition,GLAD)優(yōu)化磁控濺射技術(shù)制備出純ZnO和非磁性金屬摻雜ZnO:Ag 薄膜,并探究了其室溫磁性(Room-temperature Ferromagnetism,RTFM),發(fā)現(xiàn)GLAD 技術(shù)能夠控制柱狀生長(zhǎng)的傾斜度,生產(chǎn)出具有之字形幾何形狀的薄膜;且隨著Ag 濃度的增加,盡管之字形結(jié)構(gòu)保持不變,但優(yōu)先生長(zhǎng)方向上具有顯著的改變,摻雜ZnO 薄膜的磁化變化是Zn 空位及其被Ag原子取代的結(jié)果;因其材料的鐵磁特性可以在測(cè)量過程中利用外部磁場(chǎng)對(duì)傳感器元件進(jìn)行多功能化,為ZnO 薄膜組成多功能系統(tǒng)以及在生物傳感器方面的應(yīng)用提供了巨大潛力。2022年SEOKWON L 等[33]用RF 磁控濺射在P 型硅(100)晶片上沉積銅(Cu)層后生長(zhǎng)合成了四英寸(1 英寸=2.54 cm)ZnO 納米結(jié)構(gòu),提高了其作為鋰離子電池負(fù)極材料的電化學(xué)性能;在沉積過程中使用氫(H2)對(duì)ZnO 薄膜進(jìn)行還原,與傳統(tǒng)方法相比受H2還原的ZnO 納米材料具有更高的電子遷移率、更低的電阻率和較低的粗糙程度;且由其循環(huán)伏安(Cyclic Voltammetry,CV)曲線可知,其氧化還原反應(yīng)性能隨負(fù)極材料的增加而提高,所以,ZnO 納米結(jié)構(gòu)可作為電化學(xué)傳感器電極或輔助材料,能用于多種生物效應(yīng)及其產(chǎn)物或生存介質(zhì)變化的測(cè)定。

    2019年本課題組[34]使用磁控濺射法設(shè)計(jì)并制備了一種新型一維結(jié)構(gòu)的ZnO 和碳納米纖維復(fù)合材料,圖4 給出不同放大倍數(shù)的ZnO@CNFs 的高分辨率透射電鏡(High Resolution Transmission Electron Microscope,HRSEM)圖像,鱗片狀的ZnO 完全覆蓋在碳納米纖維,這種新復(fù)合結(jié)構(gòu)的光致發(fā)光特性具有很強(qiáng)的紫外線與可見光發(fā)射比。隨后2020年[35]用射頻磁控濺射法在少層石墨烯薄膜表面沉積ZnO 薄膜,并研究其光致發(fā)光性能,優(yōu)化了在幾層石墨烯表面生長(zhǎng)ZnO 的工作壓力、射頻功率和Ar:O2氣體流量比等工藝條件,獲得的ZnO/石墨烯復(fù)合薄膜具有較強(qiáng)的紫外發(fā)射和相對(duì)較低的可見光發(fā)射,可用于光學(xué)生物傳感器的紫外激光源、紫外發(fā)射燈等方面。

    實(shí)際上磁控濺射法也有一些局限性:由于對(duì)高真空和惰性氣體的要求,設(shè)備比較復(fù)雜且高能粒子很容易損壞已經(jīng)生長(zhǎng)的薄膜表面,導(dǎo)致薄膜中的缺陷濃度增加;作用在靶材上的不均勻磁場(chǎng)必然導(dǎo)致等離子體會(huì)聚效應(yīng)的不均勻,不可避免地在靶材上產(chǎn)生不均勻的蝕刻即降低了靶標(biāo)的利用率,且無法在低溫下實(shí)現(xiàn)強(qiáng)磁材料的高速濺射,所制備的ZnO 也存在表面粗糙度大、均勻性差、致密性不足等一系列問題[8]。若對(duì)濺射的薄膜材料進(jìn)一步高溫退火可以穩(wěn)定其光學(xué)和電學(xué)性能,因此,高溫退火的ZnO/Ag/ZnO 和AZO/Ag/AZO 可作為光電轉(zhuǎn)換傳感器電極。

    1.3 溶膠-凝膠法

    早在1991年SPANHEL L 和ANDERSON M A.提出用溶膠-凝膠法制備零維纖鋅礦型ZnO 納米團(tuán)簇的方法[36],以無機(jī)鹽或金屬醇鹽為前驅(qū)體,經(jīng)水解縮聚過程逐漸膠化,再經(jīng)燒結(jié)處理得到納米粉體;用乙酸鋅和乙醇合成了高度濃縮的ZnO 膠體納米晶體,其大小從3.5~5.5 nm;利用超聲波在幾分鐘內(nèi)產(chǎn)生的ZnO 膠體初級(jí)團(tuán)簇聚集物,在稀釋的懸浮液中觀察到“初級(jí)”團(tuán)簇中的激子躍遷,形成了自誘導(dǎo)的ZnO 凝膠晶體生長(zhǎng),進(jìn)而提出了基于聚合的電子相關(guān)圖和晶體生長(zhǎng)機(jī)理。2005年HOSSAIN M K 等[37]改進(jìn)了該技術(shù),使用回流技術(shù)獲得長(zhǎng)度為700 μm 的ZnO 納米帶,提出具有較大表面原子/體積原子比的納米物體如納米粒子和納米線傳感材料與分析物分子之間的表面和界面相互作用可通過電導(dǎo)變化來測(cè)量,可用于氣體傳感器相關(guān)領(lǐng)域。2008年RANI S 等[38]以醋酸鋅二水合物作為前驅(qū)體,使用氫氧化鈉(NaOH)代替氫氧化鋰(LiOH)合成了納米ZnO,并研究溶膠的pH 值從6 到11 變化時(shí)對(duì)納米ZnO 的影響,所合成的ZnO 粉末的SEM 顯微照片如圖5,發(fā)現(xiàn)粉末的大小和結(jié)晶度強(qiáng)烈依賴于溶膠的pH 值,優(yōu)化后成功獲得了最大微晶粒尺寸為14 nm,且發(fā)現(xiàn)其納米顆粒的光學(xué)性質(zhì)在堿性條件下更好。ZAK A K 等[39]采用溶膠凝膠法在高煅燒溫度(即650℃)下合成了鎂(Mg)摻雜的納米ZnO,Mg 摻雜合成的ZnO 納米材料呈球形、結(jié)晶度高、屬于六方的wurtzite 晶相;且Mg 摻雜在一定程度上控制了納米ZnO 的光學(xué)性質(zhì),隨著摻雜Mg 劑量的增加其帶隙增加,并最大限度地減少了結(jié)構(gòu)缺陷。

    本課題組在2007年[40]采用溶膠-凝膠法制備出摻雜鈷(Co)的六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnO 納米粉體,且因Co雜質(zhì)可能是間隙原子替代鋅離子而使得晶格常數(shù)變小,提高退火溫度會(huì)增大晶粒尺寸有利于其室溫鐵磁性。在2009年[41]采用二步溶膠-凝膠工藝制備出了ZnO-SnO2薄膜,測(cè)試發(fā)現(xiàn)在鋅錫摩爾比為9/12、退火溫度為500℃時(shí),薄膜的透過率達(dá)90%,電阻率為3.15×10-3Ω·cm,表明制備出的透明導(dǎo)電薄膜性能優(yōu)異。2010年[42]用溶膠-凝膠技術(shù)制備出了六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的短六棱柱狀納米ZnO 粉體,發(fā)現(xiàn)平均晶粒度和顆粒度隨著煅燒溫度的升高而增大,用波導(dǎo)法測(cè)試發(fā)現(xiàn)樣品在X波段具有較大的電磁損耗特性。進(jìn)而2017年[43]結(jié)合溶膠-凝膠法和低壓化學(xué)氣相淀積(Low Pressure Chemical Vapor Deposition,LPCVD)在銅襯底上制備納米ZnO/石墨烯薄膜,表征發(fā)現(xiàn)ZnO 屬于六方纖鋅礦結(jié)構(gòu),其晶體質(zhì)量隨退火溫度升高而提高;ZnO/石墨烯納米薄膜的紫外光譜(visible spectroscopy,UV)發(fā)射峰在386 nm 處彎曲源于新的石墨烯相關(guān)峰以及與中性受體或深層給體結(jié)合的激子躍遷,具有更高的晶體質(zhì)量、更低的缺陷濃度、更好的光學(xué)性能。

    近兩年為了改進(jìn)薄膜的性能,JING Jipeng 等[44]采用溶膠-凝膠衍生的鋰(Li)摻雜ZnO(LZO)薄膜作為倒置紅色量子點(diǎn)發(fā)光二極管(Quantum Dot Light Emitting Diodes,QLED)的電子傳輸層(Electron Transport Layer,ETL),實(shí)現(xiàn)低成本、高效率的QLED,證明了Li 摻雜可以調(diào)節(jié)ZnO 薄膜的導(dǎo)帶最小值、氧缺陷的密度和薄膜的電導(dǎo)率,紅色QLED 與ZnO:Li ETL 器件的最大外量子效率(EQE)和電流效率都高于純ZnO ETL器件;ZHENG Jiaxin 等采用[45]一種原位誘導(dǎo)氧化鋅(ic-ZnO)結(jié)晶策略,有效地降低器件的界面電荷復(fù)合,滿足高性能有機(jī)生物器件的應(yīng)用要求。

    溶膠-凝膠法制得的樣品純度高、合成簡(jiǎn)單、粒徑可控,易于在反應(yīng)過程進(jìn)行均勻定量的摻雜,且與其他制備方法相比反應(yīng)溫度較為低,但是目前使用的原料成本較高、反應(yīng)復(fù)雜制備時(shí)間較長(zhǎng)、變量較多,限制了大批量工業(yè)化生產(chǎn)。

    1.4 原子層沉積法

    早在2001年,YAMAMOTO Y 等[46]以硼作為n 型摻雜劑、用光原子層沉積技術(shù)(photo Atomic layer deposition,photo-ALD)生長(zhǎng)出了低電阻率、高穩(wěn)定性的ZnO 薄膜。其工作原理為:以氬氣為載氣,將二乙基鋅(Diethyl Zinc,DEZ)和水(H2O)反應(yīng)物氣體交替送入生長(zhǎng)室,電腦控制氣閥的開、關(guān)順序,改變DEZ 和H2O 的流速,紫外線通過室頂?shù)氖⒋罢丈涞揭r底上使反以物反應(yīng)合成ZnO,通過插入遮光板可以改變UV照射到生長(zhǎng)基質(zhì)上的強(qiáng)度和時(shí)間以實(shí)現(xiàn)原子層生長(zhǎng),通過控制入射光的強(qiáng)度在不同紫外光照射條件下研究了ZnO 薄膜的生長(zhǎng)機(jī)理;并優(yōu)化硼源B2H6的引入周期得到最低電阻率薄膜,且生長(zhǎng)的ZnO 薄膜在空氣暴露下表現(xiàn)出良好的電性能穩(wěn)定性。

    為了提高晶體質(zhì)量,2007年LIM J 等[47]研究了ALD 工藝參數(shù)和退火襯底溫度對(duì)ZnO 薄膜的影響,發(fā)現(xiàn)ZnO 薄膜的生長(zhǎng)速率隨著襯底溫度的升高而增加,且通過增加沉積循環(huán)時(shí)間或進(jìn)行退火處理可以提高ZnO 薄膜的結(jié)晶度、增大晶粒尺寸,晶粒形狀由長(zhǎng)條形蠕蟲狀變?yōu)閳A形,在O2氣氛下不同溫度退火的SEM 顯微形貌如圖6。可以看出晶體質(zhì)量主要取決于襯底溫度,且高溫退火ZnO 有更好的發(fā)光性能,表明ALD 是一種很有前途的制備ZnO 等復(fù)合半導(dǎo)體薄膜的方法。2008年GUZIEWICZ E 等[48]以二乙基鋅和水作為前驅(qū)體用ALD 方法合成了ZnO 薄膜,當(dāng)沉積溫度降低到200℃以下所制備的ZnO 層是多晶的,且在室溫下顯示出光致發(fā)光(Photoluminescence Spectroscopy,PL);當(dāng)沉積溫度降低到100℃時(shí)發(fā)現(xiàn)ZnO 的缺陷相關(guān)的PL 強(qiáng)度也較低,證明通過ALD 進(jìn)行的低溫生長(zhǎng)可以生產(chǎn)高質(zhì)量的ZnO 薄膜,具有低效的非輻射衰減通道和熱力學(xué)阻斷的自補(bǔ)償過程。2020年FANG L 等[49]用ALD 制備出厚度低至幾納米的超薄ZnO 薄膜,研究了不同厚度ZnO 薄膜的化學(xué)組成、晶體結(jié)構(gòu)、光學(xué)性能和光致發(fā)光特性,發(fā)現(xiàn)薄膜中鋅原子和氧原子分布均勻,隨著薄膜厚度的減小折射率和消光系數(shù)都單調(diào)減小,當(dāng)薄膜的厚度減小至幾納米時(shí)PL 光譜的激子發(fā)射峰會(huì)向更高能量移動(dòng),表明在超薄ZnO 薄膜的光電器件的設(shè)計(jì)和優(yōu)化方面具有應(yīng)用潛力。

    1.5 其他制備方法

    納米ZnO 的制備技術(shù)還有電化學(xué)沉積、化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition,CVD)等方法。前者常用于低溫合成ZnO 薄膜,可以通過調(diào)整電化學(xué)參數(shù)(如沉積時(shí)間、溫度和離子濃度[50]等)來控制其薄膜的厚度、形貌和光電特性;但由于電解質(zhì)的復(fù)雜性以及ZnO 合成過程中可能存在其他化學(xué)反應(yīng),合成的ZnO 材料不純,對(duì)其ZnO 的晶體質(zhì)量有顯著影響,因此工藝參數(shù)必須優(yōu)化才能合成良好的材料。后者是制備1-D ZnO 納米材料的常用方法,其厚度、形貌和尺寸受合成溫度、壓力、催化劑和反應(yīng)時(shí)間等因素的影響;高溫CVD 合成的ZnO 往往具有較高的晶體質(zhì)量[51],實(shí)現(xiàn)了ZnO 納米棒的高度可控導(dǎo)向生長(zhǎng),但高溫工藝可能會(huì)對(duì)襯底造成損傷使其不適合某些柔性聚合物基板;噴霧化學(xué)氣相沉積(mist-CVD)技術(shù)[52]在較低溫度下SiO2層上生長(zhǎng)出了二維(2D)ZnO 納米片,可用于發(fā)光二極管(Light Emitting Diode,LED)器件及其相應(yīng)光傳感器中。為了擴(kuò)大ZnO 的適用范圍,研究人員利用交替脈沖激光沉積法,在室溫下生長(zhǎng)了一層平均面內(nèi)尺寸為1.8~3.6 nm 的多層氧化鋁包覆的ZnO 量子點(diǎn),其體帶隙約為3.3 eV,且在光學(xué)中觀察到這些點(diǎn)的帶隙藍(lán)移與尺寸有關(guān),達(dá)4.5 eV 吸光度光譜,此藍(lán)移可以用弱約束和強(qiáng)約束條件下的有效質(zhì)量近似來解釋。SHI Feng 等[53]采用ZnCl 的簡(jiǎn)單熱溶劑法制備了燕窩狀ZnO(BN-ZnO)納米結(jié)構(gòu),其BN-ZnO 的SEM 圖像如圖7,并將葡萄糖氧化酶(Glucose oxidase,GOx)固定在納米結(jié)構(gòu)的BN-ZnO 修飾電極上開發(fā)了一種基于電化學(xué)的葡萄糖生物傳感器;生成的BN-ZnO 納米結(jié)構(gòu)外觀均勻具有較大的比表面積,可以負(fù)載大量的GOx 分子;同時(shí)BN-ZnO 提供了一個(gè)極好的微環(huán)境來保留酶的生物活性,并促進(jìn)GOx 和電極表面之間的直接電子轉(zhuǎn)移。因此,用BN-ZnO 納米結(jié)構(gòu)修飾的生物傳感器比其他結(jié)構(gòu)的生物傳感器會(huì)顯示出更好的檢測(cè)范圍。CHAKRABORTY B 等[54]利用電子束蒸發(fā)技術(shù)制備了ZnO 薄膜晶體管(Thin Film Transistor,TFT)生物傳感器,并通過改變不同的沉積參數(shù)(時(shí)間和電流)以改變表面粗糙度和缺陷狀態(tài)密度,用于抗PSA 抗體的功能化來檢測(cè)前列腺特異性抗原(Prostate Specific Antigen,PSA),該傳感器與現(xiàn)有的ZnO 納米生物傳感器相比靈敏度優(yōu)化了15 倍,表明傳感器的跨導(dǎo)隨著缺陷密度的增加而單調(diào)地降低,但由于空間位阻效應(yīng)的增強(qiáng)超過了一定的表面粗糙度,抗體結(jié)合密度具有非單調(diào)行為。綜上所述,通過不同的方法可以合成具有不同形貌特征的ZnO 納米材料,為ZnO 傳感器尤其納米生物傳感器的研究奠定了良好的基礎(chǔ)。

    2 納米ZnO 在生物傳感器方面的應(yīng)用

    生物傳感器[55]是一種利用生化相互作用導(dǎo)致的生物基質(zhì)物理或化學(xué)性質(zhì)的改變對(duì)生物物質(zhì)敏感、并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的裝置或儀器,它由固定化的生物基質(zhì)敏感材料作識(shí)別元件(包括酶、抗體、受體、細(xì)胞、微生物、組織、核酸等生物活性物質(zhì)的生物選擇膜),適當(dāng)?shù)睦砘瘬Q能器(如光敏管、氧電極、壓電晶體、場(chǎng)效應(yīng)管等器件)及信號(hào)處理裝置等三部分構(gòu)成的分析工具或系統(tǒng)。其工作原理為:被測(cè)分析目標(biāo)生物物質(zhì)經(jīng)過分子識(shí)別(親和、催化劑相互作用),會(huì)引起某種物理或化學(xué)變化,這種信號(hào)繼而被相應(yīng)的換能器轉(zhuǎn)換為可以測(cè)定的電信號(hào),再經(jīng)過信號(hào)處理裝置進(jìn)行二次處理并傳出顯示,如圖8。其中測(cè)定電信號(hào)的方法有:聲學(xué)、光學(xué)或比色法、電位法、阻抗法、安培法、電導(dǎo)法等方法,安培法能把電子直接轉(zhuǎn)移安培的生物傳感器有三種類型:非介導(dǎo)型、介導(dǎo)型和基于電子直接轉(zhuǎn)移的安培生物傳感器,由于其自身的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療診斷商用設(shè)備中。被譽(yù)為“生物傳感器之父”的Clark,通過將葡萄糖氧化酶固定在隔膜氧電極上制備出了首個(gè)生物傳感器。若改用其他微生物或酶等固化膜,就可以制備出檢測(cè)其對(duì)應(yīng)分析物的其他傳感器,這就是第一代生物傳感器即無介質(zhì)安培型生物傳感器,它是將酶或微生物等生物分子經(jīng)過物理或化學(xué)手段結(jié)合至傳感器表面,再以電化學(xué)技術(shù)對(duì)分析物進(jìn)行檢測(cè),如在金和碳表面上固定氧化還原蛋白或酶形成檢測(cè)電極等。然而它在檢測(cè)時(shí)由于過度依賴于溶液中氧的濃度,受到外界的干擾較大,導(dǎo)致傳感器的靈敏度和特異性選擇相對(duì)較差,并且只能得到較高的檢測(cè)限。第二代生物傳感器被稱為介體型生物傳感器,是采用化學(xué)介體或特定的生物分子作為生物感應(yīng)元件,用小分子電子媒介體代替氧溝通酶活性中心與電極之間的電子通道,通過檢測(cè)媒介體電流變化來檢測(cè)底物濃度變化。如核酸適配體傳感器利用雙鏈DNA 或單鏈DNA/核糖核酸(Ribonucleic Acid,RNA)分子像抗體一樣可以與靶分子特異性結(jié)合,其能結(jié)合的分子更為廣泛且具有比抗體更容易獲取、儲(chǔ)存的特點(diǎn);如轉(zhuǎn)錄因子傳感器利用配體依賴型激活的轉(zhuǎn)錄因子與任意輸出通量偶聯(lián)后在同一啟動(dòng)子的控制下進(jìn)行轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)的感測(cè)作用,因小分子對(duì)轉(zhuǎn)錄因子的變構(gòu)調(diào)節(jié)是自然界普遍存在的感測(cè)機(jī)制,其表達(dá)水平與癌癥、炎癥、異常激素響應(yīng)、發(fā)育障礙等一系列疾病的發(fā)生和發(fā)展密切相關(guān)。與第一代相比其檢測(cè)靈敏度、抗干擾能力等方面性能明顯提高。隨著納米技術(shù)、微流控技術(shù)等科技的發(fā)展,科學(xué)家們將納米技術(shù)與傳統(tǒng)生物技術(shù)相結(jié)合,研究出了超靈敏、快速、化學(xué)穩(wěn)定性與生物相容性更好的第三代生物傳感器即納米生物傳感器。它通過生物感應(yīng)元件和分析物相互作用產(chǎn)生的信號(hào)變化并用不同的信號(hào)處理元件來進(jìn)行檢測(cè),取消了電子中介體,酶和電極之間直接實(shí)現(xiàn)電子傳遞,其傳導(dǎo)效率更高、受到的干擾更少、準(zhǔn)確性更好等優(yōu)勢(shì)會(huì)具有巨大的應(yīng)用潛力[56]。

    ZnO 納米材料的各種獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)能使不同類型的生物分子成功地固定在其表面上,因此在生物傳感器領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。作為檢測(cè)材料最常用的分析物包括:分子量較低的分子(多巴胺、尿酸、尿素和核黃素),蛋白質(zhì)(牛血清白蛋白(Bovine Albumin,BSA)、免疫球蛋白、鏈霉親和素),核酸(RNA 和DNA),細(xì)胞(癌細(xì)胞、感染細(xì)胞)和細(xì)菌等。根據(jù)信號(hào)處理元件的工作原理不同,可以將ZnO 納米材料所制備的生物傳感器分為電化學(xué)生物傳感器、光學(xué)生物傳感器、壓電生物傳感器、熱學(xué)生物傳感器等[57]。

    2.1 基于電化學(xué)ZnO 生物傳感器

    電化學(xué)生物傳感器是電子檢測(cè)技術(shù)和生物科學(xué)的綜合產(chǎn)品,在食品工業(yè)、生物技術(shù)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、發(fā)酵工業(yè)等領(lǐng)域中都有巨大的市場(chǎng)應(yīng)用需求。它們通常將電極作為轉(zhuǎn)換元件和固定載體,使用生物材料作為分子識(shí)別物固定在電極表面,然后通過生物分子間的特異性識(shí)別作用,將目標(biāo)分子與其反應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流或電勢(shì)等可測(cè)量的電信號(hào),再使用三電極系統(tǒng)進(jìn)行CV,電化學(xué)阻抗譜(Electrochemical Impedance Spectroscopy,EIS)和差分脈沖伏安法(Differential Pulse Voltammetry,DPV)等電化學(xué)方法進(jìn)行檢測(cè),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物的定性或定量分析。例如用于檢測(cè)腦膜炎的DNA 生物傳感器,是通過在Ni-ZnO/ITO 電極表面,即Ni 摻雜納米ZnO 基體(正電位點(diǎn)IEP~9.5))上利用靜電相互作用固定單鏈硫代DNA(ss DNA 負(fù)電位點(diǎn)IEP~4.2)寡核苷酸的方法制備成生物電極,在亞甲基藍(lán)(Methylene Blue,MB)介導(dǎo)的緩沖液中的目標(biāo)分子對(duì)ss-DNA/Ni-ZnO/ITO 生物電極的響應(yīng)使用DPV 進(jìn)行檢測(cè),其傳感(非互補(bǔ)和互補(bǔ)目標(biāo)溶液雜交)響應(yīng)用EIS 進(jìn)行研究。圖9 為鎳摻雜氧化鋅(Ni-ZnO)薄膜用于制造高度穩(wěn)定和靈敏的DNA 電化學(xué)生物傳感器傳感機(jī)制示意圖[58]。又如采用水熱合成法在鍍鉑的硅襯底上合成了花狀的ZnO 納米結(jié)構(gòu)[21],采用CV 和EIS 研究了N.型腦膜炎奈瑟單鏈硫化物DNA(ss th-DNA)探針在納米結(jié)構(gòu)ZnO(ZNF)基體表面的相互作用;采用DPV 和EIS研究DNA 生物電極(ss th-DNA/ZNF/Pt/Si)的電化學(xué)傳感響應(yīng)行為,其DNA 生物傳感器可在5~240 ng μL-1范圍內(nèi)對(duì)互補(bǔ)目標(biāo)ss-DNA 進(jìn)行定量檢測(cè),線性良好、靈敏度高,且檢出限約為5 ng μL-1。結(jié)果表明所制備的花朵狀ZnO 納米結(jié)構(gòu)為DNA 分子的固定化提供了一個(gè)有用的平臺(tái)。

    酶電極屬于電化學(xué)電極,其成功操作的關(guān)鍵因素是在電極表面有效地固定生物實(shí)體。殼聚糖(Chitosan,CHIT)是一種天然聚合物,其生物降解性、無毒性和生物相容性使其成為一種很有前途的固定化酶基質(zhì),它包含氨基可提供與生物分子相容的親水環(huán)境。將水熱法合成的納米花狀ZnO 分散在殼聚糖溶液中形成ZnO/殼聚糖復(fù)合基質(zhì),結(jié)合了無機(jī)物和有機(jī)物的優(yōu)點(diǎn)來固定化辣根過氧化物酶,制備出玻璃碳電極/ZnO/玻璃碳電極(CHIT)/辣根過氧化物酶(Horseradish Peroxidase,HRP)電極,用作過氧化氫(H2O2)生物傳感器[59]。常見的消毒劑、殺菌劑H2O2被攝入后,會(huì)與體內(nèi)抗氧化物質(zhì)發(fā)生反應(yīng),消耗抗氧化物質(zhì),加速人體衰老、降低抵抗力,H2O2生物傳感器被廣泛用于生物體、牛奶、染發(fā)劑、面膜、廢水中微量H2O2的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)。

    利用在導(dǎo)電氟摻雜氧化錫(FTO)電極上水熱生長(zhǎng)垂直排列的ZnO 納米棒(NRs),2021年NAGAL V等[60]將大量尿酸酶固定在ZnO NRs 表面制造了一種高靈敏度的尿酸(Uric Acid,UA)生物傳感器,其增強(qiáng)性能可歸因于垂直排列的ZnO NRs 提供了用于固定大量尿酸酶的高表面積,可以固定大量的酶,在很寬的濃度線性范圍內(nèi)顯示出高的生物傳感活性,可擴(kuò)展到制備不同的ZnO NRs 基化學(xué)/生物傳感器件。利用在氧化銦錫(ITO)電極上電沉積氧化石墨烯(Electrodeposition Graphene Oxide:ERGO)/ZnO 納米復(fù)合材料,2022年ERYI?IT M 等[61]用ITO-ERGO/ZnO 電極的無酶生物傳感器通過電流法對(duì)UA 進(jìn)行檢測(cè),使UA 在一定濃度范圍內(nèi)靈敏度進(jìn)一步提高;此電極的主要優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)限相對(duì)較低、選擇性高、重復(fù)性好和長(zhǎng)期穩(wěn)定性好,且所設(shè)計(jì)的生物傳感器的制造過程簡(jiǎn)單且價(jià)格低廉。除了用于小分子UA 的檢測(cè),基于ZnO 的電化學(xué)生物傳感器還有效地用于檢測(cè)如葡萄糖、農(nóng)藥、賴氨酸、多巴胺等多種分析物.如2020年VERMA S 等[62]提出一種酪氨酸酶偶聯(lián)ZnO 還原氧化石墨烯(Tyr/ZnO-rGO)納米復(fù)合系統(tǒng)生物傳感器,用于快速靈敏地檢測(cè)多巴胺(dopamine:DA),其在低檢出限和高靈敏度等方面的顯著提高主要?dú)w因于低電化學(xué)帶隙的ZnO-rGO 快速且無阻礙的電子轉(zhuǎn)移機(jī)制,所建立的生物傳感系統(tǒng)在神經(jīng)元疾病臨床診斷中有高診斷潛力。2021年RASHED M A 等[63]采用介孔碳摻雜ZnO(Meso-C/ZnO)納米復(fù)合修飾玻碳電極(Glassy Carbon Electrode,GCE)對(duì)過氧化氫(H2O2)進(jìn)行了電化學(xué)研究,所制備的生物傳感器具有高選擇性和靈敏度。2020年WANG J 等[64]制備了基于金屬有機(jī)骨架(Metal ORGANIC FRAMEWORK,MOF)衍生的NiO@ZnO 空心球的新型電化學(xué)傳感器,對(duì)異煙肼(Isoniazid,INZ)檢測(cè)具有良好的電化學(xué)響應(yīng),但在實(shí)際應(yīng)用中存在電極污垢問題。2021年DAIZY M 等[65]通過氧化鋅空心球(ZnO HS)和分子印跡聚合物(Molecular Imprinted Polymer,MIP)對(duì)GCE 進(jìn)行功能化,研制了一種高靈敏度的電化學(xué)傳感器用于選擇性檢測(cè)甲基對(duì)硫磷(MP),有效避免農(nóng)作物的殺蟲劑殘留。FALLATAH A H 等[66]在多孔柔性基材(如碳紙和碳布)上開發(fā)了一種基于ZnO 的生物傳感器,先在柔性底物上電沉積ZnO,將乙酰膽堿酯酶(Acetyl Cholinesterase,AChE)固定在ZnO 上,用于檢測(cè)對(duì)氧磷(OP)等農(nóng)藥。GUNAVATHAN S D 等[67]通過使用ZnO 納米棒與聚噻吩(PT)的納米復(fù)合材料成功制備了L-色氨酸的增強(qiáng)電化學(xué)伏安生物傳感。MYNDRUL V 團(tuán)隊(duì)[68]提出了一種基于新型2D 材料——過渡金屬碳化物(MXene)納米片修飾四足(TPs)ZnO 納米結(jié)構(gòu)的皮膚可連接和可拉伸電化學(xué)傳感器,以無創(chuàng)連續(xù)檢測(cè)汗液中的葡萄糖;ZnO-TPs 的高比表面積和MXene(Ti3C2Tx)納米片的優(yōu)異導(dǎo)電性使其能夠?qū)挂簶悠肪哂懈哽`敏度、寬線性檢測(cè)范圍,以滿足人體汗液中葡萄糖檢測(cè)的應(yīng)用,在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中具有很大的潛力。

    2.2 基于光學(xué)ZnO 生物傳感器

    通常光學(xué)生物傳感器是由生物敏感元件和將生物信號(hào)轉(zhuǎn)換為光學(xué)信號(hào)的轉(zhuǎn)換元件構(gòu)成,其生物敏感元件與目標(biāo)分析物相互作用會(huì)引起物理化學(xué)反應(yīng)并引起光信號(hào)的變化,通過檢測(cè)波長(zhǎng)、相位、強(qiáng)度、偏振角等光學(xué)參數(shù)對(duì)目標(biāo)分析物進(jìn)行定性或定量分析[69]。光學(xué)生物傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn):1)光學(xué)信號(hào)的傳播不會(huì)受到電磁干擾,因此其傳感器的穩(wěn)定性很好;2)它檢測(cè)光信號(hào)的靈敏度較高。根據(jù)光學(xué)元件的不同,它可分為表面等離子體共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)生物傳感器、光纖生物傳感器、橢偏光學(xué)生物傳感器等。其中SPR 生物傳感器是研究最廣泛的光學(xué)生物傳感器之一。

    2.2.1 SPR 生物傳感器

    KIM H M 等[70]搭建了一種基于由光纖、ZnO NWs 和Au NPs 組成的3D 結(jié)構(gòu)區(qū)域化等離子體共振(Localized Surface Plasmon Resonance,LSPR)生物傳感器,其光纖FO-LSPR 傳感器系統(tǒng)構(gòu)成如圖10。與2D 結(jié)構(gòu)的生物傳感器相比,3D 生物傳感器對(duì)PSA 的靈敏度顯著提高,這是由于其森林般的結(jié)構(gòu)特征(如圖10(a))將光線聚焦在傳感區(qū)域,增強(qiáng)了Au NPs 的表面積,其ZnO NWs 的多孔結(jié)構(gòu)構(gòu)成了靶分子進(jìn)入Au NPs 表面的快速通道。測(cè)量不同溶液的光譜折射率如圖10(b),依此得到溶液的濃度。其SPR 技術(shù)原理示意如圖10(c),利用了衰減全內(nèi)反射原理,當(dāng)P 偏振光從光密介質(zhì)以大于臨界角入射到光疏介質(zhì)時(shí),會(huì)有部分光形成消逝波進(jìn)入到光疏介質(zhì)中,其強(qiáng)度以指數(shù)規(guī)律衰減;當(dāng)消逝波與金屬表面等離子波將發(fā)生能量耦合,滿足共振條件產(chǎn)生共振時(shí),金屬與溶液(經(jīng)過介質(zhì)通道)的界面上將有電子被激發(fā)產(chǎn)生振蕩電荷,入射光能量部分地轉(zhuǎn)移給表面等離子體波,使反射光強(qiáng)急劇下降從而形成表面等離子體波,檢測(cè)到的反射光強(qiáng)度會(huì)大幅度地減弱,這就是表面等離子體共振現(xiàn)象。測(cè)量曲線在582 nm 處其強(qiáng)度隨折射率從1.33~1.38 在0.01 區(qū)間線性增加,LSPR 光譜的測(cè)量結(jié)果證實(shí)了所提出的FO-LSPR 傳感器的應(yīng)用前景廣闊。

    因ZnO 和石墨烯都具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、光吸收能力、生物相容性和獨(dú)特的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì),PAL S等[71]研發(fā)出一種由SF10 棱鏡-Au-ZnO-石墨烯-磷酸緩沖鹽溶液(Phosphate Buffered Saline,PBS)組成的基于SPR 的DNA 雜交生物傳感器。在633 nm 工作波長(zhǎng)上用角度查詢法檢測(cè)DNA 雜交,針對(duì)石墨烯在室溫下化學(xué)勢(shì)的不同值,對(duì)其性能參數(shù),即靈敏度(S)、檢測(cè)精度(DA)和優(yōu)值(FoM)進(jìn)行了評(píng)估,優(yōu)化出出色的靈敏度。基于SPR 的電磁(Electro Magnetic,EM)增強(qiáng)作用,WANG Y 等[72]制備了摻Ga 的ZnO 納米顆粒,并將其用作表面增強(qiáng)拉曼散射(Surface-enhanced Raman Scattering,SERS)基底,在可見光、近紅外和中紅外區(qū)域均表現(xiàn)出明顯的SPR 吸收,其光譜增強(qiáng)取決于摻雜比、激發(fā)波長(zhǎng)和附近的SPR 吸收,發(fā)現(xiàn)摻雜率為5%的Ga 摻雜ZnO 納米粒子自由載流子密度最高、SERS 譜最強(qiáng),且拓寬了SERS 摻雜半導(dǎo)體基底增強(qiáng)機(jī)制的應(yīng)用范圍,為基于半導(dǎo)體的SERS 基底設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

    為了提高靈敏度,出現(xiàn)了多種改進(jìn)型生物傳感器。MUDGAL N 等[73]2020年提出了一種基于ZnO 和雙金屬層的新型SPR 生物傳感器,其結(jié)構(gòu)由SF10 玻璃棱鏡、ZnO、Ag、Au、BaTiO3和石墨烯組成。石墨烯由于其高生物分子吸附能力和大表面積,成為SPR 生物傳感器頂層的選擇。經(jīng)過優(yōu)化層厚度得到折射率在傳感介質(zhì)中由n=1.33~1.45 范圍以0.04 階躍逐漸變化,與其他基于MoS2-石墨烯的SPR 生物傳感器相比,該生物傳感器獲得了很高靈敏度。2021年CHEN H 等[74]提出了一種由交替的Ag/ZnO 層組成的雙曲超材料的表面等離子體共振(Hyperbolic Metamaterials Surface Plasma Resonance,HMM-SPR)傳感器,其中ZnO 層用于保護(hù)Ag 層免受氧化,與傳統(tǒng)的銀基SPR 傳感器(Ag-SPR)相比,由Ag/ZnO 多層組成的HMM 結(jié)構(gòu)可以大大提高SPR 傳感器的靈敏度。2022年YADAV A 等[75]提出了優(yōu)化結(jié)構(gòu),通過在夾在Au 和Ag 雙金屬層之間的ZnO 上添加幾層黑磷(Black Phosphorus,BP)來提高基于SPR 的生物傳感器對(duì)葡萄糖檢測(cè)的靈敏度。由于BP 在入射波長(zhǎng)為633 nm 處具有高吸收系數(shù),可以通過在Au/ZnO/Ag 層上添加五個(gè)單位的納米BP 片層使其靈敏度進(jìn)一步提高至3 倍,為更高的準(zhǔn)確度和更快的傳感器響應(yīng)檢測(cè)葡萄糖濃度水平提供了可能性。2022年YANG H 等[76]研究了一種基于ZnO/Au 納米材料的SPR 生物傳感器,并使用生物素-鏈霉親和素進(jìn)行二級(jí)信號(hào)擴(kuò)增的新型三明治結(jié)構(gòu)用于檢測(cè)免疫球蛋白G(Immunoglobulin G:hIgG),可以獲得hIgG 的最小檢測(cè)濃度,檢測(cè)了兔IgG、牛IgG 和hIgG 的不同測(cè)定方法下對(duì)不同抗原測(cè)量的共振波長(zhǎng)的變化,發(fā)現(xiàn)與沒有反應(yīng)SPR 信號(hào)的其他抗原相比,在一定范圍內(nèi)對(duì)hIgG 的有著高特異性,即加標(biāo)后的回收率具有良好的選擇性和靈敏度,此檢測(cè)策略可以擴(kuò)展到其他具有相應(yīng)表位的診斷標(biāo)志物的臨床測(cè)定。

    2.2.2 SERS 生物傳感器

    基于SERS 的DNA 生物傳感器的研究愈加迫切,其基底材料是納米復(fù)合固體,能同時(shí)測(cè)定多種分析物,在藥物安全和質(zhì)量監(jiān)測(cè)中更受歡迎。本課題組[77]提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于陽極氧化鋁表面的nanoPAA(聚丙烯酸)-CuCl2/ZnCl2-AuL 納米復(fù)合固體SERS 基底材料制備方法,所制備SERS 活性固體納米復(fù)合材料的流程工藝示意圖及SEM 照片如圖11。該種材料形貌可控、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、物化性能穩(wěn)定、可大面積生長(zhǎng),將其用作表面增強(qiáng)拉曼光譜SERS 活性基底,具有可重復(fù)性、靈敏度高、熱點(diǎn)均勻等優(yōu)越的性能。利用該復(fù)合納米材料作為SERS 活性基底檢測(cè)樣品羅丹明6G(R6G)[78],具有高靈敏度和高光譜重現(xiàn)性,SERS 增強(qiáng)因子為2.30×107,R6G 樣品濃度檢測(cè)限可達(dá)10-10mol/L,達(dá)到單分子檢測(cè)水平?;谠摷{米復(fù)合材料基底的SERS 技術(shù)[79]研究DNA 分子與表面活性劑CTAB/SDS 作用特性,并在分子水平闡明了DNA 分子在活性劑作用下的壓縮與解壓縮機(jī)制,揭示藥物阿霉素(Adriamycin:DOX)分子與DNA 分子間作用機(jī)制。進(jìn)而制備了一種穩(wěn)定的納米聚丙烯酸-ZnO/ZnCl2復(fù)合材料[80],發(fā)現(xiàn)其可變的三維結(jié)構(gòu)形態(tài)和持續(xù)的超親水性,有利于改進(jìn)DNA 生物傳感器的性能。

    ZnO/Ag 納米棒也可作為一種顯著的SERS 底物[81],通過協(xié)同電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)實(shí)現(xiàn)口服降糖藥吡格列酮和苯雙胍的同時(shí)檢測(cè)。以R6G 為探針分子的納米棒ZnO/Ag 異質(zhì)結(jié)構(gòu)基底表現(xiàn)出了優(yōu)異的SERS 性能,具有增強(qiáng)因子高、穩(wěn)定性和均勻性好、可轉(zhuǎn)移到各種剛性和柔性基底上等特點(diǎn),可用于高性能的化學(xué)和生化傳感器。ZnO/Ag 襯底用于分離和同時(shí)檢測(cè)人尿液中兩種口服降糖藥(OADs)吡格列酮(Pioglitazone,PIO)和苯雙胍(Phenformin,PHE),具有較寬的線性范圍、較低的檢出限、良好的選擇性和高的回收率,該襯底也適用于臨床對(duì)OADs 的快速、無創(chuàng)檢測(cè),其雙重檢測(cè)模型有望為藥物管制和監(jiān)測(cè)提供有力的工具。進(jìn)而采用SERS 技術(shù)研究了鍍Ag 花狀ZnO 納米棒陣列的光學(xué)穩(wěn)定性[82],證明了Ag 和ZnO NRs 之間的電子轉(zhuǎn)移對(duì)SERS 襯底中銀的光學(xué)穩(wěn)定性的重要性,發(fā)現(xiàn)ZnO NR/Ag 陣列能夠檢測(cè)到低至10-14mol/L 的R6G 分子,并具有長(zhǎng)期的光學(xué)穩(wěn)定性。

    2.2.3 干涉反射光譜法生物傳感器

    鑒于SERS 和SPR 等光學(xué)的生物傳感器的主要缺點(diǎn)是成本高,干涉反射光譜法(Interference Reflectance Spectroscopy,IRS)是一種光學(xué)非接觸、低成本的傳感器,已被用于生物分子的檢測(cè)?;贗RS的高靈敏度的細(xì)胞色素c(作為癌癥標(biāo)志物)生物傳感器[83],其基底為胰蛋白酶修飾的納米多孔陽極氧化鋁(Porous Anodic Alumina,PAA)。IRS 傳感器對(duì)細(xì)胞色素c 的傳感原理是:在3-氨基丙基三甲氧基硅烷(NAA-NH2)上固定化的胰蛋白酶酶解細(xì)胞色素c 后,細(xì)胞色素c 轉(zhuǎn)化為血紅素肽片段,此片段在H2O2存在下將2,2′-氮-雙(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)(ABTS)氧化為綠色的ABTS 陰離子自由基,電荷耦合器件(Charge-coupled Device,CCD)檢測(cè)到反射光強(qiáng)度變化,帶綠條紋的ABTS 陰離子自由基溶液吸附白光,使NAA 向CCD 反射的光強(qiáng)度降低。在1~100 nmol/L 范圍內(nèi),白光強(qiáng)度的下降與細(xì)胞色素c 濃度呈對(duì)數(shù)關(guān)系,細(xì)胞色素c 的檢測(cè)限為0.5 nmol/L。該生物傳感器具有較高的選擇性、靈敏度和良好的穩(wěn)定性。如在無溶劑條件下,JERRY P H L 等[84]研究了苯甲醛和氰乙酸乙酯在ZnO 上的液相縮合反應(yīng),氰乙酸乙酯在ZnO上吸附可生成烯醇中間體,苯甲醛在ZnO 上吸附可生成乙醛型中間體。以上案例測(cè)試得到的干涉反射光譜(Fourier Transform infrared,F(xiàn)TIR),可應(yīng)用于各類材料(包括有機(jī)、無機(jī))樣品的定性和定量分析,不僅能準(zhǔn)確地確定材料的各種化學(xué)成分,還可以采用對(duì)比分析的方法,快速有效地得到結(jié)果,預(yù)示著IRS 生物傳感器再結(jié)合生物相容的多結(jié)構(gòu)ZnO,將來會(huì)實(shí)現(xiàn)更大的檢測(cè)遠(yuǎn)景。

    2.3 基于場(chǎng)效應(yīng)晶體管ZnO 生物傳感器

    自1970年BERGVELD P 等[85]將MOS 管與玻璃電極結(jié)合,制備出首個(gè)用于生物檢測(cè)的離子敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Ion-sensitive Field Effect Transistor:ISFET),便開始了基于FET 生物傳感器的大量研究。近年來,F(xiàn)ET 生物傳感器逐漸發(fā)展,它們不僅用于測(cè)量電化學(xué)和生物環(huán)境中的離子活性,而且已成為生物科學(xué)和醫(yī)學(xué)診斷中定性或定量分析的重要工具。ISFET 生物傳感器的結(jié)構(gòu)有兩類,如圖12,圖(a)為底柵型FET結(jié)構(gòu),圖(b)為有絕緣隔離的頂柵型結(jié)構(gòu)[86],它們與分析液接觸的材料都是納米線上固定的生物分子,圖(c)為固定的生物分子與其目標(biāo)分析物的反應(yīng)示意圖,由源極、柵極、漏極與介電層幾部分構(gòu)成,源漏兩極之間的介電層可以是SiO2和氮化硅。若測(cè)量pH 值可采用玻璃柵極的傳感器;若柵極用碳納米管、ZnO 納米線等材料,將具有特異性選擇的生物分子固定在納米材料表面可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)分析物的檢測(cè)。其工作原理為:當(dāng)分析物靠近柵極表面與生物相互作用時(shí),會(huì)影響納米材料電荷密度,從而影響FET 的導(dǎo)電性,通過對(duì)漏極電流的測(cè)定實(shí)現(xiàn)對(duì)分析物的定性定量檢測(cè),如基于FET 的納米線(NWs)生物傳感器,利用其一維NWs 提供優(yōu)良的表面體積比使其更適合高靈敏的傳感應(yīng)用。ZnO 因其多方面的特性而在FET 基生物傳感器制造中備受關(guān)注,如高等電子點(diǎn)(IEP:9.5)的ZnO 可以高負(fù)載低IEP 酶/蛋白質(zhì)等等,結(jié)合生物識(shí)別的出色的特異性、靈敏度、無標(biāo)記、高選擇性和快速響應(yīng)特點(diǎn),用于不同生物分子如葡萄糖、膽固醇、尿酸、尿素、激素、蛋白質(zhì)、核苷酸、生物標(biāo)志物等的檢測(cè);如基于摻雜鉬ZnO 納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管生物傳感器用于臨床醫(yī)學(xué)診斷的乙肝病毒DNA 傳感分析。它們還具有重量輕、大規(guī)模生產(chǎn)成本低、體積小以及用于生物分子檢測(cè)的大規(guī)模可以兼容集成到單個(gè)芯片中等優(yōu)勢(shì),已經(jīng)成為生物科學(xué)和醫(yī)學(xué)診斷中定性或定量分析的重要工具,無論是藥理研究、化學(xué)分析、食品質(zhì)檢、還是醫(yī)學(xué)檢驗(yàn),已經(jīng)表現(xiàn)出遠(yuǎn)超于其他傳感器的優(yōu)越性[86]。

    為進(jìn)一步改進(jìn)生物傳感器的電穩(wěn)定性,DU X 等報(bào)道了底柵型銦鎵ZnO(IGZO)FET[87]場(chǎng)效應(yīng)晶體管葡萄糖生物傳感器,如圖13。其中圖(a)是電極結(jié)構(gòu),其柵電極是梳狀的,其間是NWs 材料,通過與葡萄糖氧化酶(GOx)交聯(lián)的氨基硅烷基團(tuán)對(duì)IGZO-FET 的反向通道進(jìn)行了功能化,圖(b)為實(shí)驗(yàn)裝置及其檢測(cè)液的通路,圖(c)為不同濃度葡萄糖作用下GOx 功能化IGZO-FET 的轉(zhuǎn)移特性,圖(d)為帶正電的氨基硅烷基團(tuán)作為電子受體的作用以及帶正電的氨基硅烷基團(tuán)對(duì)IGZO 表面能帶彎曲的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該生物傳感器對(duì)葡萄糖濃度的變化具有高度敏感性,實(shí)現(xiàn)了無創(chuàng)連續(xù)血糖監(jiān)測(cè),利用IGZO 的透光性還提供了將完全透明的傳感器集成到隱形眼鏡中的潛力。為了同時(shí)檢測(cè)多個(gè)對(duì)象,基于ZnO NRs 利用不同的檢測(cè)劑,2021年BHAt K S 等[88]開發(fā)了多離子陣列傳感器(ZnO NRs FET-MIS),在ZnO NRs 上分別與Co(通過物理氣相沉積),Ag(濺射沉積)和MnO2(物理沉積)后,在Co@ZnO NRs,Ag@ZnO NRs,and MnO2@ZnO NRs 上分別固定POx、NR 和VM 酶檢測(cè)劑,用于檢測(cè)水培的營養(yǎng)液中的礦物質(zhì)離子,此傳感器對(duì)PO4-3、NO3-和K 離子在寬線性范圍內(nèi)提供快速響應(yīng),具有高靈敏度和低檢測(cè)限,并且能夠選擇性地同時(shí)互不干擾地檢測(cè)三個(gè)不同的礦物離子,這在智能農(nóng)場(chǎng)的水培栽培方面和保水系統(tǒng)方面都具有巨大的潛力。

    為了開發(fā)可靠、高效的生物監(jiān)測(cè),2022年SHARIATI M 等[15]提出了一種乙型肝炎病毒(Hepatitis B Virus,HBV)DNA 診斷的FET 生物傳感裝置,可以實(shí)現(xiàn)快速無標(biāo)記的檢測(cè),其柵極上通過物理氣相沉積(PVD)生長(zhǎng)機(jī)制合成的鉬摻雜ZnO 納米線,其生物傳感器裝置及摻雜ZnO NWs 的表征如圖14。其中圖(a)為其生物傳感器裝置,圖(b)為漏極與源極間距為300 nm 的叉指電極結(jié)構(gòu),圖(c)為柵極上ZnO NWs 的FESEM 圖像,(d)是摻雜ZnO NW 的TEM 和HRTEM 圖像。研究發(fā)現(xiàn)其中鉬摻雜劑可以為DNA 的吸附和電荷轉(zhuǎn)移帶來空位,利用PCR 驗(yàn)證的樣本有真陽性(True Positive,TP)、真陰性(True Negative,TN)、假陽性(False Positive,F(xiàn)P)和假陰性(False Negative,F(xiàn)N),可實(shí)現(xiàn)對(duì)TP、TN、FP 和FN 樣本的臨床檢測(cè),并可區(qū)分不同的臨床樣本,且發(fā)現(xiàn)該生物傳感器相比于傳統(tǒng)的PCR 測(cè)試具有顯著的響應(yīng)。為了改進(jìn)電性能,OGURCOVS A 團(tuán)隊(duì)[89]用磁控濺射在室溫下制造出基于Al:ZnO 薄膜晶體管(Thin Film Transistor,TFT)的、溝道長(zhǎng)度/寬度比為12.35、溝道厚度為50 nm 的FET 生物傳感器,它是通過聚酰亞胺基板上的水電解質(zhì)進(jìn)行柵控的,表現(xiàn)出高場(chǎng)效應(yīng)遷移率(μ 為6.85 cm2/Vs),并研究了DNA 適配體濃度對(duì)水柵控Al:ZnO TFT生物傳感器電導(dǎo)率的影響,其良好的電性能、低溫處理和低工作電壓使此器件有望用于溫度敏感基底上的生物傳感方面,其聚合物襯底也使其FET 器件可以用于柔性電子領(lǐng)域。

    為提高分離擴(kuò)展柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(SEGFET)生物傳感器的檢測(cè)穩(wěn)定性,ZHANG Q 等[90]用有機(jī)電子學(xué)對(duì)離子敏感浮柵進(jìn)行了表面功能化,其結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)核心組件:FET 和傳感墊,它們?cè)诳臻g中相互隔離,其FET 將因?yàn)椴粫?huì)受到生物溶液的化學(xué)腐蝕/損壞提供高重復(fù)性和穩(wěn)定性。YU J 等[91]提出將分離擴(kuò)展柵極AlGaAs/GaAs 高電子遷移率晶體管(High Electron Mobility Transistor,HEMT)生物傳感器用于前列腺特異性抗原(PSA)檢測(cè),如圖15,圖(a)為HEMT 的結(jié)構(gòu)(包括襯底、緩沖層、溝道層、柵極下的介質(zhì)層和源漏極),圖(b)為相應(yīng)的生物傳感器(其敏感區(qū)與HEMT 分離),圖(c)為感應(yīng)墊的三種功能化策略。其中使用普通的金膜(在Ti/SiO2/Si 上)作為傳感墊,生物傳感器的檢測(cè)性能和穩(wěn)定性是不理想的。通過ZnO 修飾金膜表面(即ZnO/Ti/SiO2/Si 上),將具有四足結(jié)構(gòu)的納米氧化鋅(T-ZnO)把四足類藥物引入傳感墊上,形成一個(gè)三維(3D)凹面檢測(cè)前沿,此3D 凹面檢測(cè)前沿的T-ZnO 可以提供更多的生物修飾位點(diǎn)、具有較弱的德拜屏蔽,從而大大提高檢測(cè)范圍和靈敏度。四足構(gòu)型的親水性T-ZnO 納米結(jié)構(gòu)可以有效釋放水(濕氣),減少Au 膜上的應(yīng)力和侵蝕作用,有助于提高生物傳感器在生物溶液中的長(zhǎng)期空氣穩(wěn)定性和測(cè)試重復(fù)性?;瘜W(xué)修飾法可以提供更多的生物修飾位點(diǎn)和更大的電容調(diào)節(jié)能力,能進(jìn)一步提高了檢測(cè)范圍和靈敏度。此外,構(gòu)建檢測(cè)前沿的優(yōu)化功能化策略可以成為實(shí)現(xiàn)高性能場(chǎng)效應(yīng)晶體管生物傳感器的通用技術(shù)。

    2.4 其他ZnO 生物傳感器

    壓電生物傳感器是利用壓電材料對(duì)表面電極區(qū)附著質(zhì)量的敏感性,并結(jié)合生物分子之間的特異性識(shí)別,使壓電晶體表面產(chǎn)生微小的壓力變化,引起其振動(dòng)頻率改變來測(cè)試生物分子的檢測(cè)方法。具有非中心對(duì)稱纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnO 是一種廣泛用于壓電生物傳感器的典型壓電材料[92],壓電ZnO 基復(fù)合材料已被用于心臟手術(shù)植入式生物醫(yī)學(xué)系統(tǒng)的靈敏的傳感器。ZHANG X 等[93]設(shè)計(jì)并制備了柔性微米ZnO 復(fù)合材料的壓電生物傳感器,先采用化學(xué)浴沉積(Chemical Bath Deposition,CBD)工藝在水溶液中成功地合成了ZnO 微米棒(MR),通過改變不同形狀、濃度和填料的連通性以提高ZnO 壓電復(fù)合材料的機(jī)械、介電和壓電性能;并研究了提高其壓電響應(yīng)的優(yōu)化策略,通過CBD 和介電泳(Dielectrophoresis,DEP)工藝的結(jié)合排列ZnO MR 壓電復(fù)合材料開發(fā)出創(chuàng)新的緊湊和生物相容的力傳感裝置,這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)了二尖瓣(Mitral Valve,MV)的實(shí)時(shí)精確表征,為在協(xié)助外科醫(yī)生MV 修復(fù)手術(shù)中提供了堅(jiān)實(shí)的科技支撐。

    基于肌酐酶修飾的ZnO NWs 的自供電的壓電生物傳感器,是2021年WANG M 等[94]制備的,其制備流程和結(jié)構(gòu)如圖16。該流程包括水熱合成、轉(zhuǎn)移印刷、光刻、鈦電極的電子束蒸發(fā)和ZnO 納米線的酶培養(yǎng)等,在特異性檢測(cè)汗液中的肌酐時(shí)其壓電輸出電壓由壓電效應(yīng)和酶促反應(yīng)(壓電-酶-反應(yīng)效應(yīng))的耦合效應(yīng)提供并且依賴于肌酐濃度,因此,壓電輸出不僅可提供電能還可以視為生物傳感信號(hào),此研究結(jié)果可用于檢測(cè)人體的肌酐水平,在預(yù)測(cè)相關(guān)疾病方面具有很大的潛力。隨后NING Z 團(tuán)隊(duì)[95]通過ZnO 納米陣列的水伏-生物傳感耦合效應(yīng),實(shí)現(xiàn)了嬰兒尿布中用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)新生兒黃疸的自供電可穿戴生物傳感器,該裝置的生物傳感工作機(jī)理如圖17。其中圖(a)、(b)為自供電穿戴式生物傳感器的發(fā)電過程:當(dāng)液體被吸到ZnO 納米陣列表面時(shí),由于CE(接觸起電)效應(yīng),ZnO 中的自由電子可以移動(dòng)到液滴與ZnO 接觸區(qū)域附近,導(dǎo)致電荷轉(zhuǎn)移,ZnO 會(huì)由于其表面的固-液接觸帶電而產(chǎn)生負(fù)電荷。圖(c)~(f)顯示了該裝置的生物傳感過程:當(dāng)設(shè)備利用ZnO 納米陣列上流動(dòng)的尿液與膽紅素鈉接觸時(shí),膽紅素與膽紅素氧化酶(Box)之間會(huì)發(fā)生酶促反應(yīng);可產(chǎn)生依賴于膽紅素(濃度不同溶液的pH 不同)的水伏輸出;證實(shí)氫氧根離子確實(shí)能影響器件的輸出電壓,表明該裝置的生物傳感行為可以歸因于酶反應(yīng)和水伏打效應(yīng)的耦合。其水電壓輸出既可以作為電源,也可以作為生物傳感信號(hào),因此該裝置無需外接電源,且系統(tǒng)可以獨(dú)立工作。這項(xiàng)工作可以促進(jìn)下一代生物傳感器和生理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展,能擴(kuò)大自供電技術(shù)在智能醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用。

    一種多功能生物芯片也被研發(fā)出來,GEDDA G 等[96]制備出基質(zhì)輔助激光解吸/電離質(zhì)譜(Matrixassisted Laser Desorption/Ionization-Mass Spectrometry,MALDI-MS)分析的表面改性ZnO 納米棒陣列生物芯片,展示了使用表面改性ZnO NR 陣列芯片對(duì)納米液滴中的細(xì)菌進(jìn)行片上檢測(cè)、預(yù)濃縮、分離以及隨后的MALDI-MS 分析。其表面改性的ZnO NR 陣列是用化學(xué)方法在鋅箔上制備的,研究了在ZnO NR 陣列芯片上標(biāo)準(zhǔn)蛋白的MALDI-MS 譜,發(fā)現(xiàn)表面改性的ZnO NR 陣列襯底顯著提高了分析物的電離,并有效地抑制了背景噪聲,得到了干凈的質(zhì)譜高分辨率和優(yōu)良的信號(hào)強(qiáng)度,最低可檢測(cè)濃度細(xì)菌細(xì)胞為1.9×102cfu μL-1,樣品分析所需的最小體積為50 μL。因此,可作為一種有效的親和探針,用于海水和尿液中細(xì)菌的檢測(cè)和分離,該多功能生物芯片將來可以作為一種有效的細(xì)菌檢測(cè)平臺(tái)。

    一種基于ZnO 和還原氧化石墨烯(rGO)絡(luò)合物(ZnO@rGO)[97]的三明治型低噪聲功率放大器(Low Noise Amplifier,LNA)電化學(xué)生物芯片被構(gòu)建。它以金納米籠子(Au NCs)為支撐進(jìn)行信號(hào)放大,合成了Au NC 和巰基(SH)修飾的鎖定核酸-1(Au NC@LNA-1)探針,并在生物芯片表面形成穩(wěn)定的Au-s 鍵;通過互補(bǔ)堿基配對(duì)與NDM-1 連接,形成Au NC@LNA-1/NDM-1/Au NC@LNA-2“三明治狀”復(fù)合物。該復(fù)合物可以與目標(biāo)序列的額外副本結(jié)合,進(jìn)一步放大它的檢測(cè)信號(hào);發(fā)現(xiàn)特異性LNA 探針能識(shí)別出單堿基錯(cuò)配,并對(duì)目標(biāo)DNA 分子表現(xiàn)出親和力,導(dǎo)致NDM-1 在復(fù)雜的臨床細(xì)菌樣本中無需PCR 擴(kuò)增即可直接檢測(cè),表明其NDM-1 耐藥菌的超靈敏檢測(cè)在早期臨床診斷方面的潛在應(yīng)用。

    3 總結(jié)與展望

    本文在生物傳感器和納米ZnO 材料的優(yōu)勢(shì)背景基礎(chǔ)上,闡述了ZnO 納米結(jié)構(gòu)和生物傳感器的結(jié)合不僅拓寬了半導(dǎo)體納米材料的應(yīng)用領(lǐng)域,而且促進(jìn)了生物傳感器的技術(shù)革新,并提高了生物傳感器在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用地位。首先介紹了ZnO 納米材料的幾種主要合成方法及其表征,不同形貌、不同摻雜改性納米ZnO和不同異構(gòu)復(fù)合改性及其在光催化、傳感、光電器件等應(yīng)用價(jià)值。隨后歸納了基于納米ZnO 的生物傳感器的發(fā)展和應(yīng)用情況,主要包括電化學(xué)傳感器、光學(xué)傳感器和場(chǎng)效應(yīng)晶體管傳感器方面,以及利用新技術(shù)如壓電ZnO 納米生物傳感器、ZnO 生物傳感芯片;分別描述了每種傳感器的結(jié)構(gòu)、傳感機(jī)制和近期研究進(jìn)展。盡管近年來一些ZnO 納米生物傳感器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了良好的傳感性能,但仍有許多挑戰(zhàn)待克服。首先,雖然n 型ZnO 材料的制備已經(jīng)趨于成熟,但是高質(zhì)量穩(wěn)定的p 型ZnO 納米材料依舊是成為材料合成的瓶頸,嚴(yán)重制約了ZnO 納米生物傳感器的發(fā)展。其次,如何進(jìn)一步提高ZnO 納米生物傳感器的響應(yīng)性與靈敏度依舊是一個(gè)值得研究的方向。最后,目前ZnO 納米生物傳感器多是單功能的,如何實(shí)現(xiàn)高度集成和多功能化的ZnO 納米生物傳感器是未來發(fā)展的必然趨勢(shì)。

    為了解決以上問題,未來ZnO 納米生物傳感器的研究將集中于以下幾個(gè)方面:p 型納米ZnO 的合成需要進(jìn)一步進(jìn)行完善以制備高質(zhì)量穩(wěn)定p 型ZnO 納米材料;通過進(jìn)行摻雜、或引入表面催化劑或不同表面的異質(zhì)復(fù)合來改進(jìn)納米ZnO 的敏感性能,從而提高生物傳感器的靈敏度與響應(yīng)性;通過優(yōu)化器件結(jié)構(gòu),減小器件的物理尺寸,增加ZnO 與其他材料的兼容性等方面來提高生物傳感器的集成度,有助于開發(fā)多元化、及時(shí)檢測(cè)的微型設(shè)備。另外研究不同結(jié)構(gòu)ZnO 對(duì)各種生物分子的敏感性、不同生物分子在納米ZnO 表面的固定技術(shù),以實(shí)現(xiàn)具有更多功能的生物傳感器,也為ZnO 納米生物傳感器在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的深入拓展提供巨大潛力。

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