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1、第12章纳米生物医学传感原理与应用12.1 引言纳米技术（nanotechnology or nanotechnique）包括纳米材料、纳米器件、纳米结构设计和加工组装、纳米机器以及相应的检测表征技术和方法，因此“纳米”（nano-）不仅仅局限于狭义的空间尺度上的意义，而是一种全新的思维方式和认识方法、研究手段和应用技术。生命过程动态生化信息的获取与解析，是认识生命现象和规律（包括生理、病理、药理等）以及疾病诊断和预后等的基础。由于生命过程研究的特殊性，需要发展能适应生物活体微区、原位、实空分辨、动态、超灵敏（单分子）分析的新原理和新方法。纳米科技的兴起为更好地获取生化信息特别是动态过程生化信
2、息展露出诱人的发展前景。利用纳米粒子尺寸远远小于组成生命体的基本构造单元细胞的特点，借助纳米粒子标记的生物探针并结合其它示踪技术如荧光标记技术或酶标技术等，可望将研究的“触角”深入小到细胞甚至亚细胞层次，实现原位、实时、高选择性研究单个细胞生命过程的目的，为生命过程研究和重大疾病早期诊断提供适用的新方法。纳米材料和技术应用于生物传感和医学检测与诊断领域，尽管才十来年的历史，但已取得了许多令人鼓舞的成就。随着扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope, SPM），如扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope, STM）、原子力显微镜（Ato
3、mic force Microscope, AFM）、扫描近场光学显微镜（Scanning near-field optic microscope, SNOM）等一系列高新科技仪器方法的应用，使得采用纳米技术的纳米生物医学传感技术近年来发展非常迅速，人们在纳米尺度甚至单细胞内单分子水平上获取生命过程生物化学信息已成现实。纳米生物医学传感技术已成为纳米科技领域最引人注目的、最有生命力的发展方向之一。12.2 生物传感原理与器件 生物传感原理生物化学传感技术是生物医学领域中主要的分析检测技术之一，是利用生物分子极强的特异性识别的原理进行生物组分（包括核酸、蛋白质、酶、糖类、各种生物活性小分子、甚至
4、细胞、组织等）以及能被生物组分识别的无机物的检测分析的技术。基于生物分子识别原理所设计制作的检测器件即生物传感器，是能选择性、连续可逆感受并传递、处理生物化学信息的系统装置。例如，葡萄糖传感器便是利用葡萄糖氧化酶（GOD）能从含有多种糖分子的混合溶液中，高选择性地识别出其中的葡萄糖分子并将其氧化成葡萄糖酸内酯，其识别反应信息通过换能器转换成可测量的物理信号而进行分析检测。 生物传感器基本构成传统的生物传感器一般由感受器（Receptor）、换能器 (Transducer) 和检测器 (Detector)三部分组成。图12-1给出电化学生物传感器的示意图。试 样(生物分子识别组分)感受器生化信息
5、换能器(电极)电信号（电流、电势、电导）导）检 测 器处理结果显示图12-1 电化学生物传感器示意图1感受器，又称敏感器或分子识别元件，其主要功能是进行生物化学分子识别。分子识别（Molecular recognition）基于分子间的特异相互作用，其作用力主要有氢键、静电、疏水等类型。分子识别过程有时仅借助一种作用力，有时是多种作用力协同作用的综合结果，往往具有很高的选择性，犹如钥匙与锁的匹配关系。具有分子识别功能的生物组分构成感受器的核心或关键部分，通常要求其具有很高的灵敏度和选择性。常见的生物功能组分有生物酶、组织、抗原、抗体、结合蛋白质、植物凝血素、激素受体、微生物和DNA等。表12-
6、1列举了常用的几种生物分子识别物质。表12-1 几种常用的生物分子识别物质1分子识别元件生物活性材料酶膜全细胞膜组织膜细胞器膜免疫功能膜DNA探针各种酶类细菌，真菌，动植物细胞动植物组织切片线粒体，叶绿体抗体，抗原，酶标抗原等特定基因或其部分序列2换能器的主要功能是将感受器感受到的生物化学信息转换成易检测的物理化学信号，如光、电、磁、热和浓度等。表12-2列举了一些生物化学信息所需对应选择的换能器的种类。值得一提的是纳米技术给生物传感器分子识别信息的高效转换检测开辟了新的发展空间。许多基于纳米放大技术的生物传感器已见报道2-8，相关内容随后将作进一步的介绍。表12-2 生物化学信息和换能器的选
7、择1生化信息换能器的选择离子活度变化质子活度变化气体分压变化热效应光效应色效应质量变化电荷密度变化溶液密度变化离子选择性电极，阻抗计离子选择性电极，场效应晶体管气敏电极，场效应晶体管热敏元件光纤、光敏管、荧光计光纤、光敏管压电元件阻抗针、导纳、场效应晶体管表面等离子共振3检测器，将得到的物理化学信号进行检测、记录处理和显示结果。总之，生物传感器就是利用生物功能组分与被测物特异性结合所给出的生物化学信息，通过换能器转换并由检测器处理和显示，来对被测物进行分析检测。传感器的性能主要取决于感受器的选择性、可逆性、稳定性，换能器的灵敏度以及响应时间，检测器的信号采集、处理能力等。 生物传感器分类生物传
8、感器的种类有很多，分类方法也各不相同1。若按生物分子识别组分的不同可分为：酶传感器、组织传感器、免疫传感器、微生物传感器、基因传感器等等。酶传感器：其原理是利用酶在生化反应中特殊的催化作用，将糖类、醇类和有机酸类等迅速氧化或分解，所产生的变化转换成光、电等信号，进行检测分析。各种酶传感器已达几十种。表12-3列举出其中的几种。表12-3 几种酶传感器测定对象酶检测电极葡萄糖尿素尿酸乳酸胆固醇中性脂质青霉素苦杏仁苷硝基化合物亚硝基化合物葡萄糖氧化酶尿酶尿酸酶乳酸氧化酶胆固醇氧化酶蛋白脂酶青霉素酶苦杏仁苷酶硝基还原酶-亚硝基还原酶亚硝基还原酶O2, H2O2, I2, pHNH3, CO2, pH
9、O2O2O2, H2O2pHpHCN-NH+4NH3组织传感器：它直接利用天然动植物组织和器官中的酶，本质上也是酶传感器。这些酶处于组织器官的天然环境中，非常稳定。所制备传感器不仅取材容易，价格低廉，而且稳定性好，使用寿命更长。表12-4中列举出几种组织传感器。表12-4 几种组织传感器9测定对象组织检测电极谷氨酰胺腺苷AMP鸟嘌呤过氧化氢谷氨酸多巴胺丙酮酸尿素尿酸磷酸根/氟根酷氨酸半胱氨酸猪肾鼠小肠粘膜细胞兔肉兔肝，鼠脑牛肝，莴苣子，土豆黄瓜香焦，鸡肾稻谷杰克豆，大豆鱼肝土豆/葡萄糖氧化酶甜菜黄瓜叶NH3NH3NH3NH3O2CO2NH3CO2NH3，CO2NH3O2O2NH3微生物传感器：
10、它们可分为两种类型：一是利用微生物所含酶的催化作用，称为酶源型；另一类是利用好氧微生物在同化底物时的耗氧呼吸作用，称为呼吸型。表12-5列举出几种微生物传感器。免疫传感器：它利用抗原-抗体之间的高选择性分子识别进行抗体或抗原分析。例如人绒毛膜促性腺激素（HCG）传感器、a-甲胎蛋白（AFP）免疫传感器等。基因传感器：是一种常用的DNA检测技术，其工作原理很简单：将单链DNA（ssDNA）探针固定在载体表面，基于DNA的碱基配对原理与互补的靶序列杂交，再利用各种换能器放大杂交信号进行基因的检测分析10。若按换能方式，生物传感器主要可分为电化学生物传感器（Electrochmical biosen
11、sor）、光学生物传感器(Optical biosensor)、热生物传感器（Thermal biosensor）、压电生物传感器（Piezoelectric biosensor）等几大类。电化学生物传感器建立在电化学与电测量技术基础之上，并将生物化学信息以电势、电流和电导等电学参量表达出来，主要有电位型和电流型；光学生物传感器则是建立在光谱化学与光学测量技术基础之上，并将生物化学信息以光强或特征光谱表达出来；热生物传感器基于生物化学反应所伴随的热效应的测量；压电生物传感器则基于压电晶体振荡频率随分子识别过程的质量变化而改变的原理进行传感。表12-5 几种微生物传感器9测定对象微生物检测电极葡
12、萄糖同化糖乙酸氨甲醇制霉菌素变异原亚硝酸盐维生素B12甲烷BOD维生素B1甲酸头孢菌素烟酸谷氨酸赖氨酸尿酸L-天冬氨酸荧光假单胞菌乳酸发酵短杆菌芸苔丝孢酵母硝化菌未鉴定菌芸苔丝孢酵母枯草杆菌硝化杆菌大肠杆菌鞭毛甲基单胞菌丝孢酵母，地衣芽孢杆菌发酵乳杆菌酪酸梭菌费氏柠檬酸细菌阿拉伯糖乳杆菌大肠杆菌大肠杆菌芽孢杆菌大肠杆菌O2O2O2O2O2O2O2O2O2O2O2燃料电池燃料电池pHpHCO2CO2O2NH3若按生物分子识别组分与被测物的结合性质，生物传感器又可分为催化型生物传感器和亲和型生物传感器两大类9。前者利用酶的选择性和催化性，如酶传感器，组织传感器，微生物传感器等，它检测的是整个反应动
13、力学的总效应；后者则利用分子间的特异亲和性，如免疫传感器，受体传感器，基因传感器等，它检测的是反应热力学平衡的结果。催化型生物传感器是生物传感器早期发展的切入点，而亲和型生物传感器则是生物传感器今后的发展方向。不同的生物识别组分与不同的换能器组合，则构成不同类型的生物传感器。12.2.4 生物传感器的特点生物传感器具有选择性强、灵敏度高、分析检测速度快、仪器设备简单、操作使用方便、费用低廉等主要特点，因而广泛应用于生物化学分析、医学检测与诊断、司法医学，以及环境监测、卫生监督、生物医药和食品质量检验与控制、生产在线监控等许多领域。主要分析对象包括糖类、有机酸、氨基酸、核酸、蛋白质、抗原、抗体、
14、激素、细胞、细菌、病毒、毒素以及环境污染物质等。其不足之处表现在重现性和稳定性较差，特别是长期存放的稳定性是使用中所面临的主要问题。 分子识别组分固定化方法固定化是指将分子识别组分通过吸附、键合等方法固定在换能器表面，并保持其生物活性和稳定性，其主要目的是使分子识别组分在保持其生物功能的前提下，与换能器组装成传感器的探头。分子识别组分的固定化方法较多，主要有如下几种11：(1) 共价键合法生物分子识别组分与换能器（如电极）表面通过化学键结合而固定化。共价键合法一般分两步进行。第一步是换能器表面的活化预处理，以引入活性键合基团；第二步是进行表面化学连接，通过共价键合反应把经过修饰的分子识别组分固定到换能器表面。有时，根据具体情况还需采用逐步反应方法将换能器表面的键合位点延伸，然后再将识别组分共价固定。图12-2给出一种共价键合固定方法的实例。图12-2 DNA探针在换能器表面的一种共价键合固定化方法一般来说，共价键合固定化方法得到的分子识别敏感层较稳定，传感器使用寿命较长、重现性较好。缺点是，一些活化剂、交联剂往往难于得到，价格昂贵。另外，表面键合反应的产率有时较低，得到的分子识别敏感层的覆盖度较小，降低传感器的灵敏度。(2) 吸附法将分子识别组分吸附在换能器或修饰过的换能器表面；或者先吸附在分子筛等无机载体材料上，再固定到换能器表面。吸附法操作简单、方便，但活性
