近日，據期刊Advanced Materials(《先進材料》)報道，中國科學院化學研究所光化學院重點實驗室趙永生課題組利用高比表麵積的一維納米材料，製備出一種更加靈敏的電化學發光納米生物傳(chuan) 感器。該項研究也為(wei) 低維納米材料製備生物傳(chuan) 感器提供了重要的理論和實驗依據。

趙永生對記者表示，隨著科技的進步，傳(chuan) 感器和光學元件都將趨於(yu) 小型化和集成化。有機低維納米材料由於(yu) 其*的結構和新穎的物理、化學性質，在生物傳(chuan) 感、納米光子學領域中展現出廣闊的應用前景。

納米材料提高檢測性能

從(cong) 細菌到人，所有生物都在使用“生物分子開關(guan) ”來監測環境。此類“開關(guan) ”，即由RNA或蛋白製成、可改變形狀的分子。這些“分子開關(guan) ”的誘人之處在於(yu) ：它們(men) 很小，足以在細胞內(nei) “辦公”，而且非常有針對性，足以應付非常複雜的環境。

受到這些天然“開關(guan) ”的啟發，納米生物傳(chuan) 感器應運而生。

據趙永生介紹，生物傳(chuan) 感器是用固定化的生物體(ti) 成分，如酶、抗原、抗體(ti) 、激素等，或者是生物體(ti) 本身的細胞、細胞器、組織等作為(wei) 傳(chuan) 感元件製成的傳(chuan) 感器。

按所用分子識別元件的不同，生物傳(chuan) 感器可分為(wei) 酶傳(chuan) 感器、微生物傳(chuan) 感器、組織傳(chuan) 感器、細胞器傳(chuan) 感器、免疫傳(chuan) 感器等;按信號轉換元件的不同可分為(wei) 電化學生物傳(chuan) 感器、半導體(ti) 生物傳(chuan) 感器、測熱型生物傳(chuan) 感器、測光型生物傳(chuan) 感器、測聲型生物傳(chuan) 感器等。

其中，電化學生物傳(chuan) 感器由於(yu) 具有體(ti) 積小、分辨率高、響應時間短、所需樣品少、對活細胞損傷(shang) 小等特點，廣泛應用於(yu) 醫藥工業(ye) 、食品檢測和環境保護等領域。

如今，納米技術的介入更是為(wei) 電化學生物傳(chuan) 感器的發展提供了新的活力。

趙永生稱，納米材料具有小尺寸效應、表麵效應、量子尺寸效應及宏觀量子隧道效應等，使得其表現出奇異的化學、物理性質。

例如常見的碳納米材料，特別是碳納米管、石墨烯等，就表現出優(you) 良的力學性能、導電性能、表麵性能及*的電化學性質。

此前，研究人員就曾用瓊脂糖將葡萄糖氧化酶和連接了二茂鐵的單壁碳納米管固定在玻碳電極表麵，實現了對葡萄糖的快速靈敏檢測。碳納米管的引入還能夠顯著提高電化學敏感膜中電活性物質的氧化還原可逆性，同時消除了溶解氧對測定的幹擾。

在趙永生看來，納米材料應用於(yu) 電化學生物傳(chuan) 感器領域後，不僅(jin) 提高了傳(chuan) 感器的檢測性能，而且提升了傳(chuan) 感器的化學和物理性質以及它對生物分子或細胞的檢測靈敏度，檢測時間也得以縮短，與(yu) 此同時還實現了高通量的實時分析檢測。

低維有機材料成新寵

在電化學納米生物傳(chuan) 感器的研究中，電化學發光由於(yu) 具有較高的穩定性和較低的背景信號，其在檢測中的應用也成為(wei) 科學家的興(xing) 趣點。

通過電化學氧化和還原的納米材料，在電極表麵可以和共反應劑反應，從(cong) 而產(chan) 生電化學發光。

趙永生課題組的研究人員在電化學發光傳(chuan) 感體(ti) 係中引入低維納米材料——釕聯吡啶納米線作為(wei) 發光探針修飾電極，並通過還原氧化石墨烯有效增強電化學發光，實現了對生物分子多巴胺的、靈敏檢測。

趙永生表示，與(yu) 此前報道的利用石墨烯—殼聚糖修飾電極在抗壞血酸和尿酸的共存下檢測多巴胺(5×0-6M 到2×0-4M)相比，上述傳(chuan) 感器對多巴胺的檢測具有更寬的檢測範圍(×0-5M到×0-2M)。

“而這也說明低維納米材料使傳(chuan) 感器的靈敏度更高、尺寸更小、響應更快，以及對被測樣品的需求量更少。”趙永生說。

此後，為(wei) 了降低反應試劑的消耗，簡化實驗設計，該課題組又製備出有機核/殼納米結構的可再生納米生物傳(chuan) 感器。

研究人員用9-二苯乙炔基蒽、0-二苯乙炔基蒽(BPEA)單晶納米線作為(wei) 芯層，用對H2O2敏感的過氧草酸酯衍生物CPPO作為(wei) 殼層，通過化學發光實驗證明了殼層對H2O2氣體(ti) 有超靈敏和高選擇性的響應。

在此基礎上，研究人員還利用核殼之間的消逝波耦合有效地放大了納米線與(yu) H2O2氣體(ti) 的化學反應，構築了有機核/殼納米結構的光波導傳(chuan) 感器，從(cong) 而實現了對H2O2氣體(ti) 的快速、高靈敏、高選擇性的原位檢測。

“這項研究進一步凸顯了利用高比表麵積的一維納米材料製備生物傳(chuan) 感器，可以提高傳(chuan) 感器的靈敏度。”趙永生說，下一步，他們(men) 還將利用一維納米材料構建納米光子學生物傳(chuan) 感器相關(guan) 器件，實現納米材料、光子學以及生物學三者的結合。

未來發展趨勢

隨著納米技術和生物傳(chuan) 感器交叉融合的發展，越來越多的新型納米生物傳(chuan) 感器湧現出來，如量子點、DNA、寡核苷配體(ti) 等納米生物傳(chuan) 感器。

在趙永生看來，未來納米生物傳(chuan) 感器的發展方向應該是集成多功能、便攜式、一次性的快速檢測分析機器，它可以廣泛用於(yu) 食品、環境、戰場、人體(ti) 疾病等領域的快速檢測。

例如，食品和飲料中病原體(ti) 殘留成分的快速靈敏檢測;環境中汙染氣體(ti) 或者汙染金屬離子等遠程檢測和控製;人體(ti) 血液成分和病原體(ti) 的快速實時檢測，以及戰場生化武器和爆炸物的快速檢測。

但新一代納米生物傳(chuan) 感器同樣麵臨(lin) 諸多挑戰，如更高靈敏度、特異性、生物相容性、集成多種技術、檢測方法簡化、製備工藝、批量化生產(chan) 、成本效益等。

對此，趙永生表示，分子自組裝加工工藝簡單可控，可以實現快速複製，而且成本較低，對生物傳(chuan) 感器的發展有很重要的促進作用，有利於(yu) 高靈敏度、低成本、一次性納米生物傳(chuan) 感器的發展。而生物分子自組裝技術更值得關(guan) 注，它具有天然的生物兼容性、優(you) 異的結合性能，或將成為(wei) 生物傳(chuan) 感器發展的另一個(ge) 全新領域。