纳米材料在免疫传感器中的应用

・３０・　中国奶牛・２００７年第ｌ２期　纳米材料在免疫传感器中的应用　欧海龙，夏成，张洪友　（黑龙江八一农垦大学动物科技学院，大庆　１６３３１９）　中图分类号：Ｒ３９２—３３文献标识码：Ａ　文章编号：１００４—４２６４（２００７）１２—００３０—０３　摘要：纳米技术是２１世纪的一次技术，纳米材料作为纳米技术的重要组成部分，已渗入到多学科当中，并在医　学领域中得到广泛的应用。本文简要介绍了纳米材料在免疫传感器中的应用状况，并在此基础上，对该领域的应用　前景进行了展望。　关键词：纳米材料；免疫传感器；应用　免疫传感器的概念是由Ｈｅｎｒｙｏ￣等在１９９０年提出　１　纳米材料在免疫传感器中的应用　１．１　电化学免疫传感器　的．就是将高灵敏度的传感技术与特异性免疫反应结　合起来，用以监测抗原一抗体反应的生物传感器［２１。根据　近几年来，电化学免疫传感器已成为免疫传感器中　应用最广的一类。而纳米技术在改进传感技术，扩大其　应用范围方面的作用受到了极大的关注『７Ｉ８１　黎雪莲［９１等人（２００６）通过自组装技术和静电吸附　其换能器的不同被划分为四类：电化学免疫传感器、质　量检测免疫传感器、热量检测免疫传感器和光学免疫　传感器。工作原理和传统的免疫测试法相似．都属于固　相免疫测试法．即把抗原或抗体固定在固相支持物表　作用将多层辣根过氧化物酶／纳米金及Ｌ一半胱氨酸等　材料组装到电极表面实现对甲胎蛋白抗体的固定．制　备出了用于检测甲胎蛋白抗原（ＡＦＰ）的无试剂型免疫　面，来检测样品中的抗体或抗原。由于免疫传感器技术　具有灵敏度高、特异性强、使用简便及成本低等优点，　故它在临床医学与生物检测技术、食品工业、环境监测　与处理等领域得到重视和应用。　由于纳米材料的一些独特的性质，如小尺寸效应、　传感器。通过抗体与抗原的特异性反应，促使辣根过　氧化物酶直接催化过氧化氢而放大电流的相应信号．　从而达到检测抗原的目的　测得ＡＦＰ的线性范围为　表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等，使得传　感器成为纳米材料目前最有前途的应用领域之一　纳米　微粒的特点能够与传感器所要求的多功能、微型化、高　速化等相互对应。另外，作为传感器材料，还要求功能　广、灵敏度高、响应速度快、检测范围宽、选择性好、耐负　荷性高、稳定可靠，纳米微粒正好具备上述的特性ｐ＿５１。　１．Ｏ～１０．０ｎｇ／ｍＬ和１０～２００ｎｇ／ｍＬ．检出限为０．５ｎｇ／ｍＬ。许　媛媛【１ｑ等人（２００６）通过微机电系统（ＭＥＭＳ）技术研制　了一种检测人免疫球蛋白的新型安培型免疫传感器．　此传感器采用基于硫醇单层膜的纳米金单层膜自组装　技术以得到固定人免疫球蛋白抗体的界面。与传统的　共价交联固定法相比，具有活性高、非特异性吸附小、　检测线性范围宽等特点。这些研究证实纳米材料不仅　可作为蛋白质氧化还原的直接电子传递体．增加蛋白　在免疫传感器的研究中，生物分子的固定化方法是构　建性能优良的传感器较为关键的步骤［６１。由于纳米材　料的独有特性．它的介入给免疫传感器的发展提供了　无穷的想象空间．可以广泛地应用于敏感分子的固定，　质生物活性【“ｒ２１．而且由于纳米颗粒的量子尺寸效应　和表面效应．可提高抗体的固定量，增强传感器的灵　敏度和稳定性，使传感器具有响应迅速、选择性好，不　受血清中常见抗原的干扰等优点【ｌ３，　。　发展超灵敏的非竞争免疫分析方法一直是近２Ｏ　信号的检测和放大．吸附能力的增强以及反应速度的　提高　利用纳米材料的特性制作的全新的免疫传感器　与传统的相比．新型纳米级的免疫传感器具备测量装　置简单、操作简易、灵敏度高、精度高、可靠性好、响应　年来免疫分析发展的主流　提高分析灵敏度主要从３　个方面着手【　５１：一是提高抗体的亲合性：二是降低标记　抗体的非特异性吸附：三是提高标记物活性。然而，纳　米颗粒标记物的使用．基本上实现了上述的要求　Ｗａｎｇ　Ｊ【　句等人（２００６）研制出基于纳米二氧化硅颗粒作　标记物用于检测肿瘤坏死因子的电化学免疫传感器　时间快等优点．并且可以实现定量的实时检测分析。　收稿日期：２００７一Ｏ７—２８　作者简介：欧海龙（１９８３一），男，硕士研究生。　通讯作者：夏成（１９６４一），男，教授，博士，硕士生导师，主要从事奶牛营养　代谢疾病研究。　维普资讯 http://www.cqvip.com 中国奶牛・２００７年第１２期　・３１・　通过利用传统的三明治方法将鸟嘌呤嵌入电极和纳米　而又不影响其活性．增大了响应频率，扩宽了检测范围，　二氧化硅颗粒标记物中．借助鸟嘌呤的催化氧化和颗　粒的放大作用使免疫反应信号放大了一倍，并实现了　简易、快速的检测和有效的应用效果。　碳纳米管的发现是世界科学史上的里程碑。在纳　米材料中．碳纳米管被称为纳米之王或超级纳米材料　。　提高了灵敏度。因此．纳米颗粒应用到压电免疫传感器　能有效地克服传统的电极表面难形成抗体单层膜、固　定量的不准确、影响石英晶体灵敏度等缺点。　纳米磁珠技术是２０世纪７０年代中期发展起来的　一种新型生物技术　它以磁性微球［２５１为生物反应的载　碳纳米管修饰电极的作用主要是将电化学信号放大，　利用碳纳米管能有效增加电极比表面积、加快电子传　体．将生物技术和磁性控制技术有机结合，具有固相化　试剂特有的优点以及生物免疫反应的特异性。　递的优良特性．来实现对抗原抗体反应的响应信号的放　大。Ｏｋｕｎｏ　ｊｔｌＳｌ等人（２００７）成功地将碳纳米管用来修饰　微电极管．研制成了检测前列腺特异性抗原的无标记电　化学免疫传感器　主要通过在碳纳米管上增大抗原抗体　的反应．来增强酪氨酸和色氨酸的氧化作用，进而完成　信号的放大作用。检测范围达到了０．２５ｎｇ／ｍＬ～４ｎｇ／ｍＬ。　因此．这种传感器为临床的检测提供了更广泛的应用　价值。　１．２压电免疫传感器　随着压电免疫传感器的广泛应用，提高它的性能、　优化其检测方法的研究也越来越多。纳米技术、生物活　性物质的化学修饰等高科技手段正在不断地应用于压　电免疫传感器中　粒纳米颗粒最显著的特性是尺寸量子化效应　当　颗粒尺寸减小时，其吸收光谱蓝移，禁带宽度增大，价　带逐渐移向低能量．而导带则明显地移至高能量．此时　颗粒已不只是一个惰性体．而是一个活泼的能给电子和　取电子的物体．或者说变成了一个化学活性物质『ｌ９１　同　时，纳米粒子具有壳层结构．粒子表面层占很大比例。　纳米颗粒的巨大比表面积使量子化尺寸十分突出．也　正是由于这种效应．使得纳米颗粒与生物体有着特殊　的相互作用　Ｎａｍｓｏｏ　Ｋｉｍ　用经过硫化的沙门氏菌抗体直接固　定在金表面，并取得了满意的效果　用硫化试剂在抗体　中引入硫氢基团．由于金颗粒和硫基之间的反应十分　强烈，使抗体固定致密均匀而且牢固。同时有较好的灵　敏度、稳定性和重复性。检测范围达到了９．９ｘ１０５～１．８ｘ　１０　ＣＦＵ／ｍＬ之间。因此．利用纳米金颗粒的量子化效应　特征为生物体系分析检测系统抗原抗体的固定开辟了　新的途径［２１】　邓婷［９２１等人（２００４）研制了一种检测抗胰蛋白酶　（仅一ＡＴ）的压电免疫传感器。采用在石英晶体金电极上　电聚合邻苯二胺膜，然后再自组装一层纳米金．构成　固定抗体的传感界面。由于在石英晶体表面修饰的电　聚合膜均匀，膜薄而坚固，稳定性好，比表面积大．氨　基与纳米金之间的作用力强　．并且又在电极表面形　成一层均匀的纳米金自组装膜．增加了抗体的固定量　纳米免疫磁球是由载体微球和免疫配基结合而成。　其结构核心为顺磁性粒子．由核心外层包裹的高分子材　料和最外层的免疫配基构成．使得磁性微载体几乎可以　偶联任何具有生物活性的蛋白。纳米免疫磁球的球形结　构有助于消除非特异性吸附．同时具有特异性高、分离　速度快、效率高、可重复性好、操作简单、不需要昂贵的　设备、不影响细胞活性等特点。吴灵【２句等人（２００６）研制出　的检测大肠杆菌Ｏ１５７：Ｈ７的压电免疫传感器．就是利　用了以Ｆｅ　Ｏ　＿为核心制成的纳米磁球，并用大肠杆菌　Ｏ１５７：Ｈ７抗体进行修饰．组装于压电金电极上．使其在　３ｈ内的检测范围达到了２ｘ１０５～８×１０　ＣＦＵ／ｍＬ。因此．纳　米免疫磁珠的使用．使压电免疫传感器的检测时间、检　出率、稳定性和再生性都得到了改善。　纳米金以其良好的生物相容性和突出的倍增效果　而被广泛的关注．同时．它与生物分子的聚合具有可逆　性，这正是传感器所需要的。Ｄｉｎｇ　Ｙ［韧等人（２００７）利用　纳米金颗粒研制出检测甲胎蛋白的压电免疫传感器　传感器上沉积纳米级的羟基磷灰石聚合膜．在此膜上　又结合着纳米金颗粒膜．得到固定甲胎蛋白的抗体　结　果表明该传感器具有抗原抗体结合率高和传感界面　无需激活等优点　对甲胎蛋白的检测范围可达１５．３～　６００．０ｎｇ／ｍＬ。因此，压电免疫传感器的固定化技术正在　向着简单、高效的方向发展　１．３光学免疫传感器　光学免疫传感器是将光学与光子学技术应用于免　疫，利用抗原抗体特异性结合的性质．将感受到的抗原　量或抗体量转换成可用光学输出信号的一类传感器　光纤传感是２０世纪７０年代后期发展起来的一项光学　检测技术，利用光在媒质中的强度、位相、偏振等特性　变化，来检测物理量、化学量和生物量的变化．具有灵　敏度高、响应速度快、抗电磁干扰、抗腐蚀性强等优点．　同时，敏感光线尺寸越小就越能提高传感器的灵敏度、　响应速度及降低被测样品的需求量　光纤纳米免疫传感器是在其基础上将敏感部制成　纳米级，既保留了光学免疫传感器的诸多优点．又使之　能适用于单个细胞的测量闭　Ｄｉｎｈ等人成功地研制出　一种用于检测ＢＰＴ（Ｂｅｎｚｏ　ＰｙｒｅｎＯ　Ｔｅｔｒｏｌ，苯并『仅１芘四醇）　维普资讯 http://www.cqvip.com ・３２・　中国奶牛・２０ｏ７年第１２期　Ｑ．［Ｊ】．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，２００５，７（１）：３５５－３６０．　［８］Ｙｕ　Ｈ，Ｙａｎ　Ｆ，Ｄａｉ　Ｚ，Ｊｕ　Ｈ　Ｇ．【Ｊ】．Ｎａｌｙｔｉｃａｌ　Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，２００４，　３３　１（１）：９８－１０５．　的光纤纳米免疫传感器。传感器头部的生物探针上结　合了特异性单克隆抗体。通过抗原抗体特异性结合．能　够检测单个细胞内的生物化学物质　为了提高纳米材料的性能．制备具有核壳结构的　纳米材料则是一种行之有效的手段［３０１．通过改变核／壳　［９】黎雪莲，袁若，柴雅琴，朱强，张凌燕，王娜．基于多层酶／纳米金　固定甲胎蛋白免疫传感器的研究【Ｊ】．化学学报，２００６９　４：３２５－３３０．　『１０１许媛媛，边超，陈绍凤，夏善红．基于微机电系统技术和纳米金　自组装膜的安培型免疫传感器研究叨．分析化学研究报告，２００６，５：　６０８－６１２．　的相对尺寸进行设计和核壳型结构纳米颗粒的　光、电、磁、催化等物理和化学性质。段菁华［３１】等人研　制出一种以二氧化硅为核壳荧光纳米颗粒的纳米ＤＨ　传感器。以异硫氰酸荧光素（ＦＩＴＣ）标记的羊抗人免疫　［１１”ｕ　Ｈ　Ｘ，Ｌｉｕ　Ｓ　Ｑ，Ｇｅ　Ｂ，ｅｔ　１４：１４１－１４７．　球蛋白ＩｇＧ为核材料，通过简单的油包水的微乳液方　法制备荧光纳米颗粒．不仅防止了燃料的泄漏．又增　强了对ｐＨ的敏感性。使其在ｐＨ　５．５～７之间呈线性响　应。因此．通过改变核壳纳米材料的相对尺寸。是提高　传感器灵敏性、响应范围以及再生性的一种行之有效　的手段。　总之．由于纳米材料的最基本特性ＳＰｄ，尺寸效应、　表面效应、量子尺寸效应，改变其活性物质的固定量、　表面活性位点数量、电子的传递速度、响应时间等极大　地改善生物传感器的性能．使其设备简单、成本低廉、　使用方便、精确度高、重复性好。因此，纳米材料能够在　免疫传感器中尤其电化学和压电免疫传感器中得到广　泛应用。同时也将为免疫传感器在生物医学、食品加工、　环境监测等多个领域的应用奠定坚实的基础。　２展望　纳米技术是２１世纪最前沿学科．纳米技术的介　人为生物传感器的发展提供了无穷的想象。纳米材料　因其独特的性能在免疫传感器上显示出了广阔的应　用前景．主要是敏感分子的固定（纳米金，纳米二氧化　硅）．信号的检测和放大（纳米金，纳米磁粒子，荧光纳　米颗粒）．固定量的增加以及反应速度的提高等等。同　时．纳米材料的引入．有助于制造出综合性能稳定、可　靠性高、体积小、重量轻的敏感元件，并且随着加工技　术和纳米技术的进步．免疫传感器将不断向着微型化、　集成化、智能化、高附加值的方向发展。纳料材料也将　为生物医学、生物检测、食品加工、环境监测等领域提　供更有利的工具。　参考文献　［１ｌＨｅｎｒｙ　Ｊ　Ｂ．Ｍｅｄ　Ｌａｂ　Ｏｂｓ，１９９０，（１）：３２—３５．　［２］Ｎｏｒｔｈ　Ｊ．叨．Ｔｒｅｎｄｓ　Ｂｉｏｔｅ—ｃｈｎｏｌ，１９８５，３：１８０．　［３］Ｃａｍｓｕ　Ｆ．［Ｊ】．Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ，２００１，１３：１　１．　［４］Ｓｔｏｒｈｏｆ　Ｊ　Ｊ，Ｍｉｒｋｉｎ　Ｃ　Ａ．［Ｊ］．Ｃｈｅｍ．Ｒｅｖ，１９９９，９９：１８４９．　［５］Ｗｉｌｌｎｅｒ　Ｉ，Ｗｉｌｌｎｒｔ　Ｂ．口ｌ　ＰｕｒｅＡｐｐ１．ｃｈｅｍ，２００２，７４．１７７３．　［６１Ｂｕｎｄｅ　Ｒ　Ｌ　Ｊａｒｖｉ　Ｅ　Ｊ，Ｒｏｓｅｎｔｒｅｔｅｒ　Ｊ　Ｊ．Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｑｕａｒｔｚ　ｃｒｙｓｔａｌ　ｂｉｏｓｅｎｓｏｒｓ．Ｔａｌａｎｔａ，１９９８，４６：１２２３￣１２３６．　［７］Ｚｈｕｏ　Ｙ，Ｙｕａｎ　Ｒ，Ｃｈａｉ　Ｙ，Ｔａｎｇ　Ｄ，Ｚｈａｎｇ　Ｙ，Ｗａｎｇ　Ｎ，Ｌｉ　Ｘ，Ｚｈｕ　［１　２］Ｘｉａｏ　Ｙ＇Ｊｕ　Ｈ　Ｘ　Ｃｈｅｎ　Ｈ　Ｙ．［Ｊ］－Ａｎａｌ　Ｂｉｏｃｈｅｍ，２０００，２７８：２２—２８．　［１３］Ｄｏｒｏｎ　Ｋａｔｚ　Ｅ＇ＷｉｌｎｅｒＬ口】．Ｌａｎｇｍｕｉｒ，１９９５，１１：１３１３－１３１７．　［１４］Ｂｒｏｗｎ　Ｋ　Ｒ，Ｆｏｘ　Ａ　Ｐ，Ｎａｔｎａ　Ｍ　Ｊ．［Ｊ】．Ｊ　Ａｍ　Ｃｈｅｍ　Ｓｏｃ，１９９６，１　１８：　１１５４－１１５７．　［１５］Ｅｋｉｎｓ　Ｒ　Ｐ，ＰｒｉｃｅＣ　Ｐ，Ｎｅｗｍａｎ　Ｄ　Ｊ．Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ａｎｄ　Ｐｒａｃｔｉｃｅ　ｏｆ　Ｉｍｍｕｎｏａｓｓａｙ．Ｌｏｎｄｏｎ，ＵＫ：ＭａＣｍｉｌｌａｎ，１９９７．　［１６］Ｗａｎｇ　Ｊ，Ｌｉｕ　Ｇ，Ｅｎｑｅｌｈａｒｄ　Ｍ　Ｈ，Ｌｉｎ　Ｙ．Ｓｅｎｓｉｉｔｖｅ　ｉｍｍｕｎｏａｓｓａｙ　ｏｆ　ａ　ｂｉｏｍａｒｋｅｒ　ｔｕｍｏｒ　ｎｅｃｒｏｓｉｓ　ｆａｃｔｏｒ—ａｌｐｈａ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｐｏｌｙ（ｇｕａｎｉｎｅ）－　ｆｕｎｃｔｉｏｎａｂｚｅｄ　ｓｉｌｉｃａ　ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅ　ｌａｂｅ１．２００６，７８（１９）：６９７４－６９７９．　『１７１常竹，李贯良．纳米材料在电化学ＤＮＡ生物传感器中的应用　［Ｊ】．商丘师范学院学报，２００５，５：ｌ１４一ｌ１６．　［１　８］Ｏｋｕｎｏ　Ｊ，Ｍａｅｈａｓｈｉ　Ｋ，Ｋｅｒｍａｎ　ｌ（，Ｔａｋａｍｕｒａ　Ｙ，Ｍａｔｓｕｍｏｔｏ　Ｋ　Ｔａｍｉｖａ　Ｅ．Ｊ］Ｂｉｏｓｅｎｓ　Ｂｉｏｅｌｅｃｔｒｏｎ．２００７．２２（９一ｌ０）：２３７７—８　１．　［１９］Ｂａｋｅｒ　Ｂ　Ｅ，Ｋｌｉｎｅ　Ｎ　Ｉ，Ｔｒｅａｄｏ　Ｐ　Ｊ，ｅｔ　ａｔ［Ｊ］．Ｊ　Ａｍｅｒｉｃａｎ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｓｏｃｉｅｔｙ，１９９６，１１８：８７２１—８７２２．　［２０］Ｐａｒｋ　Ｉｎ－Ｓｅｏｎ，Ｎａｍｓｏｏ　札叨．Ｂｉｏｓｅｎｓｏｒｓ＆Ｂｉｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，１９９８，１３：　１０９１－１９９７．　［２１１Ｌｙｏｎ　Ｌ　Ｍｕｓｉｃｋ　Ｍ　Ｄ，Ｎａｔａｎ　Ｍ　Ｊ．［Ｊ】．ＡｎａｌＣｈｅｍ，１９９８，７０：５１７７—　５１８３．　［２２］ＸＩ￣，王桦，雷存喜，沈国励，俞汝勤．基于电聚合膜和纳米金白　组装的生物分子固定化新方法的研究Ⅱ１分析测试学报，２００４，４：１－＿４．　［２３］Ｇｒａｂａｒｋ，Ｓｍｉｔｈｐ，Ｍｕｓｉｃｋｍ，ｅｔ　１ａ．［Ｊ］ＪＡｍＣｈｅｍＳｏｃ，１９９６，１　１８：１　１４８—　１１５３．　［２４】徐宜为．免疫检测技术．第２版［Ｍ】．北京：科学出版社，１９９７．　［２５】徐辉，张国亮，张凤宝．免疫磁性微球的研究进展［Ｊ】．化学工业　与工程，２０ｏ３，２０（１）：２７２３２．　［２６】吴灵，尚美丽，李雪芳，孔波．基于自组装及纳米磁球放大的大　肠杆菌Ｏ１５７：Ｈ７的压电免疫检测叨．株洲师范高等专科学校学报，　２００６，２：５２－５６．　［２７］Ｄｉｎｇ　Ｙ，Ｌｉｕ　Ｊ＇Ｗａｎｇ　Ｈ，Ｓｈｅｎ　Ｇ，Ｙｕ　Ｒ．【Ｊ】．Ｂｉｏｍａｔｅｒｉｌａｓ，２００７，２８　（１　２）：２１４７－２１５４．　［２８］Ｄｉｎｈ　Ｔ　Ｖ，Ｃｕｌｌｕｍ　Ｂ　Ｍ．［Ｊ】．ＡｎａｌＣｈｅｍ，２０００，３６６：５４０—５５　１．　［２９１Ｄｉｎｈ　Ｔ　Ｖ，Ａｌａｒｉｅ　Ｊ　Ｐ，Ｃｕｌｌｕｍ　Ｂ　Ｍ，ｅｔ　ａ１．［Ｊ】．Ｎａｔ　Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ，　２０００，１８：７６４－７６７．　［３０］Ｐｒａｋａｓｈ　ＭｃＣｏｒｍｉｃｋ　Ａ　ｖ＇Ｚａｃｈａｒｉａｈ　Ｍ　ＲｆＪ】．ＮａｎｏＬｅ￣ｅｍ，２００５，５　（７）：１３５７—１３６０．　『３１１￣Ｗ华，王柯敏，何晓晓，谭蔚泓，刘斌，何春梅，莫远尧，黄杉　生，李杜．基于核壳荧光纳米颗粒的一种新型纳米ｐＨ传感器［Ｊ】．　湖南大学学报，２００３，２：１－６．口