電化學生物傳感器的納米結構納米超薄膜

電化學生物傳感器的納米結構納米超薄膜

納米是指厘米和宏觀材料之間的尺寸。它的大小通常是1.10納米。納米材料在20世紀80年代由德國物理學家Gleiter最先發(fā)現(xiàn),自問世以來,受到人們的高度關注,納米材料科學成為當今最活躍的研究領域之一。對納米材料的初期研究主要集中在納米微粒,逐漸涉及到納米絲、納米管、微孔、介孔材料和由上述材料組成的薄膜與塊體結構材料,以及一些高級形式的納米材料,如核殼型納米材料、復合納米薄膜及功能化的納米材料等。納米材料以優(yōu)異的物理化學性質,受到眾多傳感器研究者的青睞。生物傳感器是近數(shù)十年發(fā)展起來的一種新型傳感器,是一門集化學、生物學、醫(yī)學、物理學、電子技術等諸多學科于一身的交叉學科。生物傳感器以其專一的識別功能,可在復雜的有機、生化樣品中對目標化合物進行快速分析,甚至具有可對生物活體進行分析的獨特優(yōu)勢。因其具有選擇性好、靈敏度高、分析速度快、成本低、可在復雜體系中進行在線連續(xù)監(jiān)測等優(yōu)點,特別是高度自動化、微型化與集成化的特點,使其獲得蓬勃迅速的發(fā)展。近年來納米技術的發(fā)展為生物傳感器的發(fā)展帶來了新的生機,探究納米材料在生物傳感器中的應用這一嶄新的研究領域應運而生。應用納米技術的兩大效應——量子尺寸效應和表面效應可將傳感器的性能提高到一個新的水平。與傳統(tǒng)的生物傳感器相比,基于納米材料的生物傳感器呈現(xiàn)出體積更小、檢測速度更快、靈敏度更高和可靠性更好等優(yōu)異性能,在臨床診斷、工業(yè)控制、食品和藥物分析、環(huán)境監(jiān)測以及生物技術、生物芯片等諸多領域有著廣闊的應用前景。本文按照納米結構的分類,從以下幾個方面綜述了近年來納米材料在電化學生物傳感器方面的最新發(fā)展和應用:基于零維納米材料——納米微粒的電化學生物傳感器、基于一維納米材料——納米管、納米線和納米棒的電化學生物傳感器、基于二維納米材料——納米超薄膜的電化學生物傳感器。1電化學生物傳感器納米微粒具有獨特的化學和物理性質,可應用于電學、光學、催化、磁性材料、生物技術、藥物輸送等領域。其中,電化學生物傳感器是納米微粒最有前途的應用領域之一。隨著納米技術的發(fā)展,越來越多的納米微粒被應用到電化學生物傳感器中,如金屬納米粒子、量子點、磁性納米粒子等。1.1聚合物修飾電極金屬納米粒子,特別是貴重金屬納米粒子,如金納米粒子、鈀納米粒子等,具有極佳的比表面積,可用于生物分子如酶、蛋白質、DNA等的固定,能增加固定的分子數(shù)量,對很多化學反應都有高的催化活性,已廣泛應用于各種電化學生物傳感器的制備。近年來,眾多研究者將重心轉移至金屬納米粒子復合材料,即將金屬納米粒子與其他材料復合,將兩者的性能有機地結合,賦予這種納米復合材料新的特性,使其在電化學生物傳感器中得到更廣闊的應用。目前,金屬納米粒子的復合材料主要集中在基于導電聚合物(如聚吡咯等)、納米碳材料的金屬納米復合材料以及其它類型的復合材料等方面。為了將不同的修飾材料固定在電極表面以實現(xiàn)特定的目的,研究者不斷地探索各種修飾電極的方法,主要包括靜電吸附、電化學沉積法(電鍍)、自組裝法等。將金屬納米材料固定到聚合物修飾電極表面,多采用電沉積的方法。Hsiao等通過電聚合和電沉積2個步驟制備出一種基于導電聚合物聚(3,4-亞乙二氧基噻吩)(PEDOT)和金納米粒子(AuNPs)的絲網(wǎng)印刷電極,用于對半胱氨酸的測定。同以往方法相比,AuNPs的制備方法更為簡便。將EDOT、羥丙基-β-環(huán)糊精(HP-β-CD)和HAuCl4溶液混合攪拌,即可得到AuNPs溶液。導電聚合物PEDOT具有大的比表面積并形成一個緊湊的陣列,能夠負載大量的AuNPs,提高了催化效率。該復合材料修飾的電極對半胱氨酸和谷胱甘肽具有很高的選擇性。納米碳材料,如碳納米管(CNTs)、石墨烯等,具有大的比表面積可以增加金屬納米粒子的負載量,有效提高催化效率。高娜利用功能化后CNTs表面攜帶的大量含氧官能團能起到穩(wěn)定納米粒子的作用,制備出非共價鍵合的CNTs/鈀納米粒子復合物,用Nafion分散該粒子復合物,旋涂到電極上,制備出快速響應的葡萄糖電化學生物傳感器。陽離子交換試劑Nafion可防止抗壞血酸、尿酸和乙酰氨基酚對葡萄糖檢測的干擾。Sahoo等基于自組裝技術,通過控制一定的電位,在CNTs上有選擇性、可控地電沉積銀納米粒子,將得到的CNTs/Ag復合物用于電極修飾,制備出對無標記單鏈DNA快速響應的電化學生物傳感器。該方法具有無化學試劑、無催化劑、簡便快捷的優(yōu)勢。所采用的納米自組裝技術可制備出符合人們構想的穩(wěn)定、具有幾何外觀結構的納米復合物。在自組裝的過程中,并不是大量的基本結構單元(原子、離子、分子)之間通過弱的作用力簡單疊加,而是個體在基于非共價鍵作用下同時自發(fā)地組織或聚集成一個緊密、有序的整體,是一種整體的復雜的協(xié)同作用。因此,自組裝技術具有廣闊的發(fā)展前景?；诮饘偌{米粒子及金屬納米粒子復合材料的化學修飾電極靈敏度高、穩(wěn)定性好,在生物樣品分析方面具有良好的應用前景,能夠為實現(xiàn)直接電子傳遞的第三代生物傳感器的研制提供技術保障。1.2cdseqds與其他納米材料的復合量子點(QDs)又稱為半導體納米微晶體,是顯示量子尺寸效應的半導體納米微晶體,其尺寸小于相應體相半導體的波爾直徑,通常在2~20nm之間。由于具有獨特的光學、電化學和電致化學發(fā)光特性,已受到了廣泛的重視,而利用QDs構建電化學生物傳感器則是其最有前景的應用領域之一。QDs作為電極的修飾劑,不僅能夠增加電化學傳感器中生物活性分子的固定量,提高傳感器的靈敏度。而且QDs與其他材料結合,可以改善電化學響應特性,增強電子的傳遞速率?；赒Ds(CdTe、CdS、CdSe等)的各類電化學生物傳感器已有大量研究報道。如張渝陽等用CdTeQDs和碳納米管組裝了一種CdTeQDs標記的DNA電化學傳感器,將氨基修飾的單鏈DNA探針共價鍵合固定在羧基化的碳納米管修飾金電極上后與CdTeQDs標記的目標DNA雜交。該方法充分利用了CdTeQDs與碳納米管兩種納米材料的信號擴增效應,將納米技術、核酸雜交技術與電化學技術有機結合起來。Jie等采用CdSeQDs與CNTs和鄰苯二甲酸二乙二醇二丙烯酸酯(PDDA)結合制備了一種靈敏的電化學發(fā)光免疫傳感器。CdSeQDs-CNTs復合物具有良好的電化學發(fā)光穩(wěn)定性和生物相容性,提高了傳感器的靈敏度。PDDA具有良好的成膜性且易進行化學修飾,可通過共軛作用與CdSeQDs-CNTs復合物結合,增加電化學發(fā)光的信號。這是PDDA首次應用到電化學發(fā)光生物傳感器中。該方法制備的傳感器具有易于制備、重復性高、靈敏等特點。Liu等采用CdTe、CNTs和Nafion構建了一種葡萄糖氧化酶電化學生物傳感器;史傳國等采用血紅蛋白和CdSe基于靜電吸附和自組裝技術制備出H2O2生物傳感器?；赒Ds及復合材料的電化學傳感器表現(xiàn)出靈敏度高、穩(wěn)定性好、對特殊生物樣品有良好的檢測效果等特點。為了使QDs與其他材料更好地結合,有研究者探索了QDs與其他納米材料復合的制備技術。Cao等用氧化石墨烯(GO)一步法直接制備出石墨烯-CdS納米復合物。將GO、Cd(CH3COO)2·2H2O超聲分散于二甲基亞砜(DMSO)中,控制一定的條件,在GO還原為石墨烯的過程中,CdS沉積到石墨烯表面。該方法具有操作簡便,無需分子連接物連接QDs與石墨烯等優(yōu)勢。Chang等通過CdSQDs在石墨烯上原位生長,制備出非共價鍵結合的CdS-石墨烯復合物,該復合物的光電效應和電子傳遞速率有明顯的提高。隨著新的QDs納米復合材料制備技術的創(chuàng)新與發(fā)展,結合QDs獨特的光學、電化學和電致化學發(fā)光等優(yōu)異性能,基于QDs的電致化學發(fā)光傳感器、電化學免疫傳感器、蛋白質傳感器、DNA傳感器等正向操作簡便、速度快、靈敏度高、選擇性好、檢測線性范圍寬和能實時檢測等方面發(fā)展。這些傳感器將在食品和藥物分析、環(huán)境監(jiān)測和臨床診斷等眾多領域中逐漸顯示出巨大的潛力。1.3生物樣品,積極利用,具有較高的生物環(huán)境能力,并具有較強的生物在現(xiàn)代社會中的10個人磁性Fe3O4納米粒子是近年來研究較多的納米材料之一,除了有一般納米材料所具有的表面效應、量子尺寸效應、催化效應外,還具有良好的生物相容性、較高的導電性和無毒副作用等優(yōu)點。由于具有特殊的物理和化學等性能,Fe3O4納米粒子已被成功應用于各種類型的電化學生物傳感器中,如磁控電化學生物傳感器、酶電化學傳感器、DNA電化學傳感器等,使傳感器的檢測靈敏度得到顯著提高,生化反應時間明顯縮短,檢測通量顯著增加,為其在電化學生物傳感器領域提供了廣闊的應用前景。2納米管道、納米線、納米桿的電子生物傳感器近年來,一維納米材料(如納米線、棒、管)相繼被發(fā)現(xiàn),引起了國際上的廣泛關注。其獨特的結構和性質,引起了廣大電化學工作者的重視。2.1電化學及機械化學在納米微管的研究中,以CNTs的研究最為熱門。自1991年被Iijima發(fā)現(xiàn)以來,CNTs因其獨特的結構、優(yōu)良的電化學和機械等性能,在納米電子器件、催化劑載體、儲氫材料、超強復合材料等諸多領域取得了較大的突破,已引起物理、化學及材料等科學界的極大關注。CNTs經羧基化后可進一步衍生化,實現(xiàn)與酶、抗原/抗體和DNA的固定,通過各種模式制成具有特定功能的電化學生物傳感器。2.1.1功能化cnts—CNTs化學修飾電極本課題組在CNTs修飾電極方面做了近10年的研究,并率先開展了CNTs修飾電極在分子分離和識別領域的應用研究。引入新的途徑和物質構制了3類高生物兼容性的CNTs修飾電極,用于生物分子的分離和測定,并對生物分子的電分離、電催化和分子識別機理進行了探討;將CNTs經過不同的處理,甚至在管被破壞的情況下,分別采用涂層和鑲嵌的方式制備修飾電極,研究了其對多巴胺和抗壞血酸電分析性能的影響;研究了電極表面的孔性結構對分析生物分子的影響,提出了CNTs修飾電極的界面孔性是生物分子分離的重要原因。隨后,為改善CNTs的分散性和提高其認知性能,本課題組率先采用α-、β-、γ-CD非共價修飾CNTs,用不同的CD和CD衍生物構建各種功能化CNTs修飾電極界面,界面體現(xiàn)了一種新穎的小孔徑CD充填在大的CNTs集合體孔隙中的建筑層,既發(fā)揮了CNTs獨特的性能,又體現(xiàn)了CD細微的認知能力,將此修飾電極用于胸腺嘧啶和鳥嘌呤的測定,得到了良好的效果;系統(tǒng)研究了o-、m-、p-硝基酚在各種CD/CNTs電極上的電化學行為,展示了該類型修飾電極的較好的電催化和分子識別能力。研究表明,CD選擇性的絡合行為,即識別能力,取決于內部的孔徑大小和取代基的類型及數(shù)量。研究結果為電化學生物傳感器對某些結構異構體,甚至是同系物和手性物的分離測定提供了新方法。繼之,將CNTs與導電聚合物(聚茜素紅、聚吡咯等)復合,利用兩者的協(xié)同增效作用,制備出電化學生物傳感器,用于多巴胺、尿酸、抗壞血酸及槲皮素等生物活性分子的測定,并成功用于實際樣品的分析。該類傳感器具有靈敏度高、選擇性好、檢測線性范圍寬等優(yōu)異性能。此外,一些研究者也做了相關工作,主要是用聚合物對碳納米管進行共價或非共價功能化。聚合物膜不僅電化學響應信號大,而且具有較大的化學和電化學穩(wěn)定性,以及較強的抗干擾和抗毒害能力。形成的復合物的性能不僅是各種組成材料的簡單加合,還具有協(xié)同效應,由此獲得了高催化活性的電極修飾材料。研究者利用一些特殊的化學反應(如酯化、親核加成等)使聚合物與碳納米管進行共價鍵結合;利用氫鍵、π-π鍵、靜電引力、范德華力、疏水和親水作用使小分子在CNTs側壁上吸附,而大分子通過高聚物鏈纏繞而實現(xiàn)非共價修飾。利用制備的碳納米管/聚合物復合材料用于電極的修飾,研究其對多巴胺、抗壞血酸、NADH等活性物質的檢測,均取得了良好的效果。2.1.2《清地區(qū)》:《新冠肺炎疫情》,于2019年10月21日。《月20日,利用方案酶傳感器是發(fā)展最早,也是目前最成熟的一類生物傳感器。其原理是通過換能器記錄生物分子在固定化酶催化作用下的化學變化,從而間接測定待測物的濃度。CNTs的發(fā)現(xiàn)為酶電化學生物傳感器的發(fā)展提供了一個廣闊的新天地。以CNTs為酶的固定材料及基礎電極的修飾材料制成的傳感器即為新型的CNTs修飾酶電化學生物傳感器,主要包括葡萄糖氧化酶、辣根過氧化物酶及某些雙酶傳感器等。CNTs的優(yōu)良性能為酶傳感器帶來了很多優(yōu)點:①CNTs具有良好的電化學性能,作為電極的修飾材料,在氧化還原反應中能有效提高電子的傳遞速率,縮短酶傳感器的響應時間,降低過電位,從而提高檢測速度;②CNTs特殊的中空管狀結構,使其具有大的比表面積,羧基化后,其表面攜帶功能基團多,能夠增加酶的負載量,從而提高酶傳感器的靈敏度;③CNTs良好的生物相容性,能夠保持負載酶的生物活性,從而使酶傳感器的穩(wěn)定性增加,使用壽命延長。2.1.3多層rt-pcr檢測抗體特異性免疫傳感器是利用抗原(抗體)對抗體(抗原)的特異性識別,將抗原(或抗體)結合在生物敏感膜上來測定樣品中相應抗體(或抗原)濃度的一類傳感器。該類傳感器具有操作簡便、快速和靈敏等優(yōu)點,其性能主要取決于生物活性物質的固定化技術,能否成功地實現(xiàn)抗原(抗體)的固定或修飾,并保留其原有的生物活性,是制備免疫傳感器的關鍵。CNTs以其優(yōu)異的性能,受到免疫傳感研究者的關注。通過使用分散劑或包埋物將CNTs修飾到電極表面,結合不同類型的抗原或抗體,可制備出具有特異性的免疫傳感器。趙廣英等將CNTs包埋于海藻酸鈉中,制成導電性良好的復合物,并通過物理吸附辣根過氧化物酶標記福氏志賀氏菌抗體,制備出快速檢測福氏志賀氏菌的免疫傳感器。Malhotra等采用自組裝技術,制備出對口腔癌標志物特異性識別的免疫傳感器。Jensen等利用共價鍵合法,制備出多層辣根過氧化物酶-前列腺抗原-CNTs復合的電化學免疫傳感器,用于對前列腺抗體的特異性識別。上述研究中,CNTs起到了很好的固定酶的作用,放大了檢測信號。2.1.4電化學生物傳感器在DNA傳感器的研究中,如何實現(xiàn)DNA在電極表面的快速、高效的固定,是該類傳感器研究的重點和熱點。CNTs的引入很好地解決了這些問題。CNTs大的比表面積,可以增加DNA在電極表面的固定量;其高的電導率,可以加速電子的傳遞,使電信號明顯增強,從而提高傳感器的靈敏度。研究者將特定序列的單鏈或雙鏈DNA通過共價鍵合或非共價鍵自組裝到CNTs修飾電極上,制備出能對特定序列DNA、病毒等特異性識別的傳感器。CNTs作為酶、免疫、DNA傳感器的基體材料,其大的比表面積可增加生物分子的負載量;優(yōu)良的電化學性能能加快電子傳遞速率;良好的生物相容性可制備出更高靈敏度、更高選擇性、更高穩(wěn)定性、更長使用壽命的各類電化學生物傳感器。目前,基于CNTs的電化學生物傳感器的界面是無序的CNTs,隨意彎曲、互相纏繞,對傳感器的性質造成一定的影響。而有序排列的CNTs陣列,不含雜質,管徑均勻分布,有利于電子的傳遞,可使電化學生物傳感器的性能得到很大提高。但目前直接制備出定向排列的陣列型CNTs電極的方法比較復雜,且設備昂貴。因此,如何利用簡單的自組裝方法制備出有序排列的CNTs電極是一個亟待解決的問題。2.2電化學生物傳感器作為納米材料的成員,納米線和納米棒以其優(yōu)越的光學性能、電學性能以及力學性能等特性引起物理界、化學界及材料界科學家的普遍關注。由于納米線和納米棒的制備工藝相對較復雜,其在電化學生物傳感器領域的應用遠不如納米粒子在電化學生物傳感領域中的應用廣泛。盡管如此,國內外的電化學工作者仍在這方面進行了探索。利用不同類型的納米線(如硅納米線、聚苯胺納米線等)、納米棒(如ZnO納米棒等)及與其它材料的聯(lián)用(如CNTs-ZnO復合物膜等),制備出不同類型的電化學生物傳感器。如,以硅納米線陣列為基礎材料,通過非共價鍵作用,制備出檢測蛋白質細胞色素c的電化學生物傳感器。在聚苯胺納米線電極上共價鍵合寡聚核苷酸片段,制備出對特定序列DNA片段識別的電化學生物傳感器。納米線因具有比表面積大、表面活性高、對外界環(huán)境因素靈敏等特點,成為傳感器的理想材料。許美珠等利用ZnO納米棒陣列制備出快速響應的H2O2傳感器。納米棒也可與其它納米材料聯(lián)用,增加生物活性物質的固定量、表面活性位點,加快電子傳遞,使生物傳感器的靈敏度、檢測范圍得到明顯提高。李小榮等采用靜電配位的方式制備出MWCNTs-ZnO復合物膜,并構建了一種新型的電流型葡萄糖電化學生物傳感器,該傳感器的響應電流明顯增加。表明該納米復合材料顯示了更為有效的電催化活性。納米線和納米棒在電化學生物傳感器中的應用,進一步擴大了納米材料的應用范圍。隨著材料制備技術的進步,納米線和納米棒的制備技術會越來越成熟,其在電化學生物傳感器方面將發(fā)揮更為重要的作用。3石墨烯/cnts雜化薄膜的制備二維納米材料中最有代表性的是納米超薄膜。石墨烯是一種新型的納米超薄膜,自2004年被Geim等發(fā)現(xiàn)以來,受到眾多研究者的重視。石墨烯獨特的性能,如快速的電子傳遞速率、大的比表面積、高的熱導率、優(yōu)良的機械性能和良好的生物相容性等,使其在電化學生物傳感器方面有很好的應用。目前,石墨烯已被生物傳感研究者公認為是連接電極表面和酶、蛋白質等的氧化還原中心的優(yōu)良紐帶。由于石墨烯具有類似CNTs的性質,眾多的研究者效仿CNTs,將石墨烯應用到電化學生物傳感器中。一些研究者對石墨烯的電化學性質及其在電化學生物傳感器中的應用做了相關研究。石墨烯與一些活性材料,如聚合物(染料、聚苯胺、殼聚糖、離子液體等)、納米粒子等復合制備的各種酶傳感器、DNA傳感器、免疫傳感器等引起了研究者的廣泛關注。石墨烯具有某些優(yōu)于CNTs的性質,因此研究者在效仿CNTs的同時,提出了一些新的思路和方法。目前,有關石墨烯的雜化膜引起研究者的高度重視。雜化膜最常用的技術是層層(LBL)靜電自組裝技術。通過將基板反復、順序浸泡到含有互補官能團材料的溶液中,得到層層組裝的雜化薄膜。Kong等制備的石墨烯/AuNPs,Shen等制備的石墨烯納米模板等均基于LBL自組裝技術。另一方面,一些研究者試圖制備一種石墨烯/CNTs雜化薄膜,該薄膜結合了石墨烯和CNTs的優(yōu)異性能,利用兩者的協(xié)同作用,制備出具有更高靈敏度、更高選擇性的電化學生物傳感器。Song等通過將MWCNTs和氧化石墨烯(GO)的混合溶液旋涂在玻璃基底上,得到了GO/MWCNTs薄膜。Tung等將石墨烯和CNTs的混合溶液旋涂在基體上,制備了石墨烯/CNTs薄膜。這些碳材料雜化薄膜,雖然厚度相比于文獻中報道的更薄,但該方法無法實現(xiàn)石墨烯厚度的可控性。因此,研究者開始探究制備厚度可控的石墨烯/CNTs薄膜,并將LBL技術應用到這種雜化膜制備中。Kim等采用LBL技術制備出持久耐用、均勻、透明的石墨烯/CNTs雙層薄膜。先將氧化石墨烯自組裝到氨基化的SiO2/Si基