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我国研发成功新型电化学发光纳米生物传感器

[2013-06-17]

  随着科技的进步,传感器和光学元件都将趋于小型化和集成化。有机低维纳米材料由于其独特的结构和新颖的物理、化学性质,在生物传感、纳米光子学领域中展现出广阔的应用前景。近日,据国际知名期刊《Advanced Materials》报道,中国科学院化学研究所光化学院重点实验室利用高比表面积的一维纳米材料,制备出一种更加灵敏的电化学发光纳米生物传感器。该项研究也为低维纳米材料制备生物传感器提供了重要的理论和实验依据。

  从细菌到人,所有生物都在使用“生物分子开关”来监测环境。此类“开关”,即由RNA或蛋白制成、可改变形状的分子。这些“分子开关”的诱人之处在于:它们很小,足以在细胞内“办公”,而且非常有针对性,足以应付非常复杂的环境。受到这些天然“开关”的启发,纳米生物传感器应运而生。

  据中科院相关人员介绍,生物传感器是用固定化的生物体成分,如酶、抗原、抗体、激素等,或者是生物体本身的细胞、细胞器、组织等作为传感元件制成的传感器。按所用分子识别元件的不同,生物传感器可分为酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞器传感器、免疫传感器等;按信号转换元件的不同可分为电化学生物传感器、半导体生物传感器、测热型生物传感器、测光型生物传感器、测声型生物传感器等。其中,电化学生物传感器由于具有体积小、分辨率高、响应时间短、所需样品少、对活细胞损伤小等特点,广泛应用于医药工业、食品检测和环境保护等领域。

  如今,纳米技术的介入更是为电化学生物传感器的发展提供了新的活力。纳米材料具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应等,使得其表现出奇异的化学、物理性质。例如常见的碳纳米材料,特别是碳纳米管、石墨烯等,就表现出优良的力学性能、导电性能、表面性能及独特的电化学性质。此前,研究人员就曾用琼脂糖将葡萄糖氧化酶和连接了二茂铁的单壁碳纳米管固定在玻碳电极表面,实现了对葡萄糖的快速灵敏检测。碳纳米管的引入还能够显著提高电化学敏感膜中电活性物质的氧化还原可逆性,同时消除了溶解氧对测定的干扰。纳米材料应用于电化学生物传感器领域后,不仅提高了传感器的检测性能,而且提升了传感器的化学和物理性质以及它对生物分子或细胞的检测灵敏度,检测时间也得以缩短,与此同时还实现了高通量的实时分析检测。

  随着纳米技术和生物传感器交叉融合的发展,越来越多的新型纳米生物传感器涌现出来,如量子点、DNA、寡核苷配体等纳米生物传感器。未来纳米生物传感器的发展方向应该是集成多功能、便携式、一次性的快速检测分析机器,它可以广泛用于食品、环境、战场、人体疾病等领域的快速检测。例如,食品和饮料中病原体或者农药残留成分的快速灵敏检测;环境中污染气体或者污染金属离子等远程检测和控制;人体血液成分和病原体的快速实时检测,以及战场生化武器和爆炸物的快速检测。

  但是与此同时,新一代纳米生物传感器同样面临诸多挑战,如更高灵敏度、特异性、生物相容性、集成多种技术、检测方法简化、制备工艺、批量化生产、成本效益等。对此,这一生物传感器的研发课题组专家表示,分子自组装加工工艺简单可控,可以实现快速复制,而且成本较低,对生物传感器的发展有很重要的促进作用,有利于高灵敏度、低成本、一次性纳米生物传感器的发展。而生物分子自组装技术更值得关注,它具有天然的生物兼容性、优异的结合性能,或将成为生物传感器发展的另一个全新领域。

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