全 文 ：纳米颗粒增强酶生物传感器性能的研究进展*
伍林 曹淑超 易德莲 秦晓蓉 欧阳兆辉
(武汉科技大学 应用化学研究所, 武汉 430081)
摘 要: 简要介绍生物传感器的原理及分类, 并且对纳米颗粒增强酶生物传感器的研究现状进行了评述, 尤
其是纳米颗粒对葡萄糖生物传感器和尿酸酶生物传感器的增强作用, 并对我国生物传感器的发展方向做了展望。
关键词: 纳米粒子 酶 生物传感器 进展
Progress on Study of Nanoparticles Strengthen
Enzyme Biosensor s Function
Wu Lin Cao Shuchao Yi Delian Qin Xiaorong Ouyang Zhaohui
( A p p li ed Chemistr y Resear ch In st i tu te , Wuhan Unive rsi ty of S ci ence and T echnolog y , H ube iWuhan 430081)
Abstract: The principle and classif y of biosenso r ar e int roduced. T he present condit ions that nanoparticles
st reng then enzyme biosenso rs function, especially glucose biosensor and uric acid bio sensor are commented on. F i
nally, the pr og ressive dir ections of biosenso r in our countr y have also been pro spected.
Key words: Nanopar ticles Enzyme Bio sensor Prog ress
1 引言
随着生命科学的发展进入分子水平,有人预言
21世纪将是生命科学的世纪, 将是检验医学的世
纪,即从分子水平对疾病进行诊断和治疗。这就要
求临床生物化学检验准确、快速、简便, 标本微量化,
方法标准化,且经济实用。而生物传感器横跨生物、
化学、物理、信息等领域, 综合了生物技术、材料技
术、纳米技术和微电子技术等学科知识,广泛应用于
医疗、食品、环境及分析等领域, 是当今学科发展的
前沿,已引起世界各国的广泛重视。
纳米生物技术问题是国际生物技术领域的前沿
和热点问题,在医药卫生, 食品生产和监控, 环境监
测等领域有着广泛的应用和明确的产业化前景。特
别是纳米药物载体、纳米抗菌材料、纳米生物传感
器、纳米生物相容性人工器官以及微型智能化医疗
器械等,将在疾病的诊断、治疗和卫生保健方面发挥
重要作用。这里主要就纳米颗粒增强酶生物传感器
的研究进展作一介绍。
2 纳米粒子特性简介
纳米粒子具有壳层结构, 粒子的表面层占很大
比例,且表面原子是既长程无序,又短程无序的非晶
层。可以认为,粒子表面层的实际状态更接近气态,
而在粒子的心部, 存在结晶完好周期排布的原子。
纳米粒子的这种特殊类型的结构导致了它具有四方
面效应:表面效应、体积效应、量子尺寸效应和宏观
量子隧道效应。并由此产生出许多特殊性质:奇异
力学、电学、磁学、热学、光学和化学活性等。
3 生物传感器的原理及分类
生物传感器一般有两个组成部分: 其一是分子
识别元件(感受器) , 由具有分子识别能力的生物活
性物质构成;二是信号转换器(换能器) ,主要是电化
学或光学检测元件。生物传感器是利用生物物质作
为识别元件,将被测物的浓度与可测量的电信号关
联起来,并将生物体功能材料(酶、底物、抗原、抗体、
动物细胞、微生物组织等)固定化处理, 当待测物质
(酶、辅酶、抗原、抗体、底物、维生素、抗菌素等)与分
收稿日期: 20050825
* 基金项目:湖北省自然科学基金资助(批准号: 2003ABA075)和湖北省教育厅自然科学基金资助 (批准号: 2003A011)
作者简介:伍林( 1965 ) ,男,副教授,武汉科技大学应用化学研究所所长,生物学博士后,主要从事纳米材料制备与应用及有机合成等领域
的研究, w ulin65@ 163. com
生物技术通报
综述与专论 BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2006年第 1期
子识别感受器(即接受器)相互作用时, 发生物理变
化或化学变化, 换能器件将此信号转变为电信号或
光信号等,从而检测出待测物质。
以尿酸酶传感器为例来说明。这种传感器是把
固化酶膜紧贴在铂、银电极表面上制成的。当血液
中的尿酸通过固化酶膜时,酶进行反应,转化成尿囊
素、H 2O2和 CO2。H 2O 2由于浓度扩散而到达电极
表面, 并在那里被氧化还原。检测出这里产生的反
应电流,然后将其换算成尿酸浓度加以显示。
生物传感器发展非常迅速,大致可分为以下几
类: ( 1)酶传感器; ( 2)组织传感器; ( 3)免疫传感器;
( 4)微生物传感器; ( 5)场效应晶体管生物传感器。
生物传感器中研究最多的是酶传感器, 根据酶
与电极间电子转移的机理, 大致可将酶传感器分为
三代:在葡萄糖传感器中, 采用酶的天然介体氧的
催化原理设计制作的酶传感器称为第一代生物传感
器;第二代生物传感器是将人工合成的媒介体掺人
酶层中,减少了空间氧的干扰;第三代生物传感器是
指在无媒介体存在下, 利用酶与电极间的直接电子
传递制作的酶传感器。
4 纳米颗粒增强酶生物传感器的研究
利用纳米颗粒的比表面积大、表面反应活性高、
表面活性中心多、催化效率高、吸附能力强等特性,
把纳米颗粒引人到传感器研究中。随着纳米技术的
日趋完善,应用纳米生物传感器进行各种细胞测定
的工作将会越来越多。使用这些纳米传感器比用荧
光染料预处理再检测的常规方法,在测定亚细胞水
平的化学物质方面更加可靠。而且若在细胞中利用
纳米传感器,则不需再使用任何细胞用指示染料就
可以测定任意指定区域。纳米传感技术可能会引发
细胞生物的革命。除了为测定不同种类的细胞和细
胞中的不同组分提供可靠的途径外,最近研究表明:
插入和除去细胞中纳米纤维后, 对细胞活力的观察
分析,结果证实,有可能对细胞进行一系列的光学操
作而不损害细胞本身, 这也是传统检测技术所不能
比拟的[ 1~ 6]。
由于纳米 Au 颗粒具有很好的生物兼容性, 而
改性纳米 SiO2颗粒对生物分子又具有很好的选择
吸附性。因此, 可望实现纳米 Au 和 SiO 2颗粒与酶
分子活性中心及电极之间的直接电化学作用, 并大
大增强生物传感器的灵敏度。
孟宪伟等 [ 7]用易成膜的聚乙烯醇缩丁醛( PVB)
做辅助膜基质,进行了纳米颗粒复合材料增强的葡
萄糖生物传感器的研究。实验结果表明: 利用纳米
颗粒的表面效应可以显著提高葡萄糖氧化酶
( GOD)电极响应的灵敏度。SiO 2分别与 Au、Pt 形
成的复合纳米颗粒可以大幅度提高葡萄糖生物传感
器的电流响应, 其性能远优于 SiO 2、Au、Pt 纳米颗
粒单独使用时对葡萄糖生物传感器的增强作用。唐
芳琼等[ 8~ 13] 用纳米疏水 Au颗粒、亲水 Au颗粒,疏
水 SiO 2颗粒, 以及疏水 Au 和疏水 SiO 2混合颗粒,
亲水 Au和疏水 SiO2混合颗粒与聚乙烯醇缩丁醛反
应生成复合膜基质,并采用溶胶凝胶法固定 GOD,
组成葡萄糖生物传感器。实验表明, 纳米颗粒可以
大幅度提高固定化酶的催化活性, 响应电流从相应
浓度的几十纳安增强到几千纳安,电响应迅速, 一分
钟达到稳态。
尿酸酶广泛存在于多种动植物中, 并在人体代
谢过程中起着重要作用。尿酸酶存在于肝脏中, 它
催化尿酸生成 H 2O2 , 而 H 2O 2对细胞是非常有害
的。应用尿酸酶电极测定人体血液中尿酸的浓度,
可帮助诊断肿瘤和白血病、肾炎等疾病。N akamura
等[ 1 4]报道了尿酸酶的固定及其在尿酸测定中的应
用。Mu等[ 15] 报道了使用导电高聚物固定的尿酸
酶,具有较高的操作稳定性和快速的响应,但其活性
随时间而下降,活性下降是固定在聚苯胺膜中的尿
酸酶脱附和失活引起的。
阚锦晴等[ 16]研究了掺杂涂膜聚苯胺尿酸酶电
极的生物电化学特性。结果显示, 用聚苯乙烯石蜡
体系制备涂膜聚苯胺尿酸酶电极的方法简单, 在
0. 35V( v s SCE)时的响应时间仅为 30s 左右。涂膜
聚苯胺尿酸酶电极的酶催化反应的最适 pH 和电势
依赖性与聚苯胺尿酸酶电极的酶催化反应的最适
pH 和电势依赖性相似, 但涂膜聚苯胺尿酸酶的电
极酶催化反应的活化能较无膜聚苯胺尿酸酶的电极
酶催化反应的活化能低,前者较后者的稳定性好。
Robert D等 [ 17]用十二烷基硫酸盐掺入 N甲基
吡咯固定化尿酸酶来制备电极, 并对膜中加酶与否
进行了双电位测定, 其电流响应差异为酶促反应电
流值, 其最适工作电压 0. 2V , Km= 0. 0016mol/ L。
312006年第 1期 伍林等: 纳米颗粒增强酶生物传感器性能的研究进展
Hong C等[ 18] 报道用金溶胶固定 DNA ,在金电极上
制备电化学 DNA 生物传感器检测互补 DNA 分子,
最低检测限达 5 1010mol/ L。
Sasumu K.等[ 19] 用巯基乙胺自结合在金电极
上, 并用戊二醛交联溶解于磷酸缓冲液中的 UOx ,
在这种电极上制成尿酸酶敏感电极。在测定的尿酸
液中加入[ Fe( CN) 6 ] 3作为电子媒介物,电极敏感性
受戊二醛用量、酶膜干燥时间和温度等因素影响, 电
极响应线性范围在正常生理浓度范围内。
Renato C. M. 等 [ 20, 21]采用钯电化学沉积修饰
金微电极,流动注射分析式安培计测定尿中的尿酸
和抗坏血酸, pH = 7. 0时线形范围 Vc= 0. 44~ 64
mg/ L, UA= 0. 34~ 68 mg/ L。与经典的光谱测定
方法相比, 变异系数为 Vc= 3. 1%, UA = 8. 6% ( n
= 9)。
在生物传感器研究领域内,集纳米技术、生物技
术和自组装方法于一体, 实现具有高酶活性的三维
有序组装制备生物传感器的报道不多。但从已有的
一些报道来看, 加入纳米粒子后制备的生物传感器
的灵敏度大大提高。从电响应的增强, 电响应达到
稳态的时间的缩短, 检测的线性范围的增大看,都说
明了这一点。但从分子机理来看,这还仅仅是一种
直接电化学的假说。如能研究一种有效的组装方法
组装构建成高效的仿生催化界面,并从分子机理方
面阐述,这将在生物传感器的制备和生物体呼吸链
的生物电化学研究领域, 产生较大的推动作用。
5 结语
纳米颗粒增强的酶生物传感器的研究才刚刚起
步,但因其灵敏度高、分析速度快等优点, 已引起愈
来愈多分析化学家和生物学家的浓厚兴趣, 而以后
与计算机技术结合将进一步推动其在环境、医疗、海
洋开发和生物反应器等方面的应用,其发展可说是
方兴未艾。
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