納米材料傳感器在衛(wèi)生檢驗(yàn)中的應(yīng)用范文

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納米材料指三維中的至少一維處于納米尺度范圍，或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料。目前常用于傳感器件的有:金納米粒子、半導(dǎo)體納米粒子(量子點(diǎn))、碳納米材料(石墨烯、單/多壁碳納米管、碳納米角)等。納米材料為穩(wěn)定、特異、靈敏的生物傳感器的制備提供了優(yōu)秀的平臺(tái);為蛋白質(zhì)、DNA等生物分子的檢測提供了新策略［1］。近年來納米材料傳感器逐漸應(yīng)用于小分子定性、定量檢測，出現(xiàn)了納米材料電化學(xué)傳感器和納米材料光學(xué)傳感器。其中納米材料電化學(xué)傳感器包括納米金顆粒電化學(xué)傳感器、碳納米管、碳納米角、石墨烯等碳納米材料電化學(xué)傳感器，半導(dǎo)體納米材料電化學(xué)傳感器等;納米材料光學(xué)傳感器包括納米金光學(xué)傳感器、半導(dǎo)體量子點(diǎn)光學(xué)傳感器。圖1為典型的納米材料傳感器構(gòu)造原理示意圖。納米材料傳感器在衛(wèi)生檢驗(yàn)領(lǐng)域應(yīng)用隨之出現(xiàn)，如用于水、土壤、污水中的重金屬、微量有機(jī)物和霉菌毒素的檢測;蔬菜中的農(nóng)藥殘留檢測;畜肉中的獸藥殘留等檢測的報(bào)道。本文以傳感器的分類為線索簡述納米材料傳感器在衛(wèi)生檢驗(yàn)領(lǐng)域應(yīng)用的發(fā)展現(xiàn)狀。

1納米材料電化學(xué)傳感器

1．1納米金顆粒電化學(xué)傳感器周忠亮等在玻碳電極表面逐層沉積納米金及DNA分子檢測甲醛［2］。甲醛在未經(jīng)修飾的玻碳電極上不產(chǎn)生電化學(xué)響應(yīng)，修飾納米金顆粒后電化學(xué)響應(yīng)明顯，修飾納米金顆粒及DNA分子后甲醛電化學(xué)響應(yīng)最高。采用經(jīng)納米金顆粒及DNA分子修飾的玻碳電極檢測河水中微量甲醛，檢出限可低至1．0×10－6mol/L。薛瑞等研制了有機(jī)磷農(nóng)藥電化學(xué)傳感器［3］，利用靜電作用在玻碳電極表面逐層固定金納米粒子和乙酰膽堿酯酶，酶水解底物產(chǎn)生硫代膽堿在電極上產(chǎn)生氧化電流，若酶活性被有機(jī)磷農(nóng)藥抑制則氧化電流減小，通過減小程度定量測定有機(jī)磷農(nóng)藥，方法應(yīng)用于蔬菜中甲基對硫磷檢測，檢出限為4mg/kg。該電化學(xué)傳感器中納米金的作用為加快電荷在電極表面的傳導(dǎo)，表現(xiàn)出優(yōu)異的生物相容性和顯著的電催化性能［4］。劉雪平等利用納米金與小分子半抗原的良好結(jié)合性能［5］，在金電極表面共價(jià)鍵合的金納米粒子上吸附了半抗原克倫特羅并與牛血清蛋白偶聯(lián)，制備了克倫特羅電化學(xué)傳感器。該方法成功應(yīng)用于豬肉及豬肝中克倫特羅測定，檢出限低于0．5μg/kg，為建立小分子半抗原的免疫學(xué)檢測方法提供了有益的參考。

1．2碳納米材料電化學(xué)傳感器楊海朋等將多壁碳納米管分散于環(huán)糊精中滴至Pt電極表面形成不溶于水的復(fù)合導(dǎo)電膜［6］，在膜上固定乙酰膽堿酯酶，制備出有機(jī)磷農(nóng)藥的碳納米管電化學(xué)傳感器，用于檢測甲胺磷得到檢出限為3．5×10－7mol/L。在該傳感器中碳納米管作為Pt電極與固定酶間的良好電導(dǎo)體，縮短了酶與電極、底物與電極間的電子傳遞途徑，減小了擴(kuò)散過程的影響，提高了酶與Pt電極間的電化學(xué)反應(yīng)的速率。劉艷等通過靜電力在玻碳電極表面逐層固定石墨烯、多壁納米碳管制備了H2O2傳感器［7］，石墨烯與碳納米管協(xié)同作用提高了電子轉(zhuǎn)移速率，傳感器靈敏穩(wěn)定，測定H2O2的檢出限為1．2×10－7mol/L，線性范圍為6×10－7mol/L～1．4×10－2mol/L。為提高傳感器的選擇性，可對碳納米材料進(jìn)一步修飾。ZhangJ等制備了檢測微囊藻毒素－LR(MC－LR)的碳納米角電化學(xué)傳感器［8］。在玻碳電極表面覆蓋經(jīng)過氧化修飾的碳納米角，于碳納米角上共價(jià)鍵合MC－LR制成傳感器，通過樣品中的MC－LR與固化于傳感器表面的MC－LR競爭結(jié)合酶標(biāo)抗體，實(shí)現(xiàn)樣品中MC－LR的定量檢測。該方法中，共價(jià)鍵合方式減小了酶標(biāo)抗體的非特異性吸附，提高了方法精密度、重復(fù)性。經(jīng)氧化的碳納米角錐形尖端具有豐富羥基，可結(jié)合更多MC－LR提高靈敏度。該傳感器用于不經(jīng)前處理的污水樣品中微量MC－LR測定，結(jié)果與高效液相色譜法一致。張朝暉等在金電極表面覆蓋碳納米管［9］，于其上合成氯潔霉素的分子印跡材料制成傳感器，特異性的檢測人尿中的氯潔霉素，表現(xiàn)出良好的準(zhǔn)確性和重復(fù)性，得到檢出限為2．44×10－8mol/L。碳納米管作為分子印跡凝膠聚合的“底材”及信號(hào)放大器，可改善分子印跡凝膠的空間結(jié)構(gòu)并提高電子傳輸速度，提高傳感器靈敏度。

1．3半導(dǎo)體納米材料電化學(xué)傳感器將半導(dǎo)體納米材料修飾在電極表面也可制得性能優(yōu)異的電化學(xué)傳感器。張燦等在玻碳電極表面修飾了SnSe2空心納米球［10］，再于其上固化乙酰膽堿酯酶，最后以殼聚糖封裝，制得有機(jī)磷農(nóng)藥傳感器。SnSe2空心納米球促進(jìn)酶與電極間直接電子轉(zhuǎn)移，與碳納米管傳感器相比具有更寬的線性范圍，檢出限更低。在中性磷酸鹽緩沖液中放置一個(gè)月電極初始電流僅減小約10%，證明SnSe2空心納米球還具有保持固定在其表面的乙酰膽堿酯酶活性的作用，具有良好的生物相容性。納米材料具有良好的電子傳遞性能和電極反應(yīng)催化性能，能顯著提高電化學(xué)方法的靈敏度及線性范圍;還具有良好的生物相容性及較大的可結(jié)合表面積，為多種生物、化學(xué)分子及聚合物固化至電極表面提供了良好媒介。納米材料用于構(gòu)建電化學(xué)傳感器，提高了電化學(xué)方法的特異性，將拓展電化學(xué)方法在分析檢測領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

2納米材料光學(xué)傳感器

2．1納米金顆粒光學(xué)傳感器納米金一般與熒光素共同構(gòu)建的光學(xué)傳感器，當(dāng)兩者接近時(shí)，納米金接受從熒光素轉(zhuǎn)移的能量，熒光素?zé)晒獯銣纾魞烧呔嚯x增大，能量無法轉(zhuǎn)移，熒光素保持熒光性質(zhì)。在傳感體系中，納米金與熒光素通過特定結(jié)構(gòu)相連，該連接結(jié)構(gòu)可因結(jié)合目標(biāo)物發(fā)生改變，進(jìn)而改變納米金與熒光素的間距，從而影響納米金－熒光素體系的熒光性質(zhì)，由此通過熒光變化反映目標(biāo)物的量。如Liu等以凝血酶適配體連接納米金和熒光素［11］，體系熒光幾乎完全淬滅。凝血酶適配體結(jié)合Pb2+后會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)镚－四聯(lián)體，與納米金的吸附力由于構(gòu)型改變而減弱，進(jìn)而從納米金表面脫附，體系熒光部分恢復(fù)。利用此性質(zhì)構(gòu)建了檢測水中鉛的納米金熒光傳感器，檢出限低至10nmol/L。唐文等在納米金表面連接熒光素修飾的單鏈DNA序列［12］，Hg2+可誘導(dǎo)DNA序列形成發(fā)卡結(jié)構(gòu)使熒光素與納米金接近，導(dǎo)致體系熒光顯著淬滅。通過熒光淬滅程度檢測環(huán)境水樣中的Hg2+濃度，檢出限可達(dá)8nmol/L。譚代娣制作了以“8－17”脫氧核酶作為連接結(jié)構(gòu)的納米金熒光探針［13］。“8－17”脫氧核酶由一條底物鏈和一條酶鏈雜交而成。底物鏈的一端修飾熒光素，酶鏈通過巰基修飾到納米金表面。納米金與熒光素接近，體系熒光猝滅。Pb2+可激活“8－17”脫氧核酶，將底物鏈剪切為兩段，破壞了雜交的剛性結(jié)構(gòu)，熒光素與納米金距離增大，體系熒光恢復(fù)。基于此原理構(gòu)建了定量檢測Pb2+的高靈敏傳感器，檢出限達(dá)0．6nmol/L。

2．2半導(dǎo)體量子點(diǎn)光學(xué)傳感器半導(dǎo)體量子點(diǎn)是一種具有光致發(fā)光性能的納米材料。相比一般熒光分子，量子點(diǎn)發(fā)光性質(zhì)更適合用于傳感器的構(gòu)建。采用有機(jī)相合成法的量子點(diǎn)表面帶有有機(jī)配體組成的覆蓋層，不溶于水。為了讓量子點(diǎn)具有水溶性并保持發(fā)光性質(zhì)穩(wěn)定，需置換表面有機(jī)配體。最常用于置換的配體包括蛋白質(zhì)、聚合物、及巰基乙酸、巰基丙酸等硫醇類化合物。量子點(diǎn)化學(xué)傳感器可直接通過表面配體結(jié)合目標(biāo)分子，也可通過配體上進(jìn)一步修飾其他分子(團(tuán))識(shí)別、結(jié)合目標(biāo)分子，結(jié)合于量子點(diǎn)表面目標(biāo)物的量影響量子點(diǎn)熒光性質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)分子的定性定量檢測。RFreeman全面綜述了通過多種方式修飾量子點(diǎn)表面［14］，構(gòu)建起不同分子檢測傳感器的研究工作。以下分別介紹量子點(diǎn)熒光傳感器對不同種類物質(zhì)檢測的應(yīng)用。

2．2．1金屬離子的檢測利用配位作用可構(gòu)造具有選擇性的金屬離子量子點(diǎn)傳感器。如研究者通過氮雜大環(huán)的配位作用實(shí)現(xiàn)微量Zn2+的檢測［15］，方法檢出限可達(dá)2．2×10－6mol/L。具體做法是在巰基丙酸修飾的CdSe－ZnS量子點(diǎn)表面將氮雜大環(huán)結(jié)構(gòu)共價(jià)連接于巰基丙酸，電子由環(huán)分子向量子點(diǎn)價(jià)帶轉(zhuǎn)移導(dǎo)致熒光淬滅。氮雜大環(huán)可特異性的結(jié)合Zn2+，Zn2+進(jìn)入環(huán)中產(chǎn)生配位作用阻止環(huán)內(nèi)電子向量子點(diǎn)轉(zhuǎn)移，量子點(diǎn)熒光恢復(fù)，熒光強(qiáng)度與Zn2+的量在一定范圍內(nèi)成正比。該傳感器可用于水中微量Zn2+的定量檢測。

2．2．2無機(jī)陰離子的檢測硫醇類化合物為配體修飾的量子點(diǎn)可用于構(gòu)建無機(jī)陰離子傳感器。如ASanz－Medel等報(bào)道2－巰基磺酸鈉修飾的CdSe量子點(diǎn)能選擇性的定量檢測水中的游離CN－［16］，檢出限為1．1×10－6mol/L，水中常見的陰離子不干擾測定。GBKole-kar等報(bào)道了巰基丙酸修飾的CdS量子點(diǎn)可選擇性的檢測水中的S2－［17］，檢出限為6．6×10－5mol/L，水中常見陰離子不影響測定，熒光淬滅的機(jī)制可能是S2－加入引發(fā)的量子點(diǎn)自聚，但也可能由于S2－與量子點(diǎn)間發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移。

2．2．3有機(jī)物的測定提高選擇性是量子點(diǎn)熒光傳感器應(yīng)用于衛(wèi)生檢驗(yàn)領(lǐng)域?qū)嶋H檢測需要解決的關(guān)鍵問題。RenyongTu等用巰基乙胺為配體的Mn2+雜ZnS量子點(diǎn)測定空氣或溶液中的微量爆炸物2，4，6－三硝基甲苯(TNT)［18］，檢出限為1．0×10－9mol/L。TNT通過胺基與量子點(diǎn)連接，量子點(diǎn)熒光淬滅基于“電荷轉(zhuǎn)移”原理。研究者認(rèn)為分子得電子能力的差異可表現(xiàn)為熒光淬滅效率的顯著差異，因此可通過熒光淬滅效率的測定實(shí)現(xiàn)TNT的定性檢測，通過熒光淬滅程度實(shí)現(xiàn)TNT的定量檢測。但必須指出這種策略的選擇性有限，僅適用于空氣樣品或成分簡單的溶液。Sandros等將麥芽糖結(jié)合蛋白－金屬硫蛋白嵌合蛋白－釕配合物組成的復(fù)合物，通過金屬硫蛋白的巰基修飾到量子點(diǎn)表面，構(gòu)建檢測溶液中麥芽糖的傳感器［19］。在未結(jié)合麥芽糖狀態(tài)下釕配合物與量子點(diǎn)接近，兩者間能發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致量子點(diǎn)熒光淬滅，結(jié)合麥芽糖后，麥芽糖結(jié)合蛋白構(gòu)型變化，釕配合物與量子點(diǎn)遠(yuǎn)離，電荷轉(zhuǎn)移效率降低，量子點(diǎn)熒光恢復(fù)。上述量子點(diǎn)熒光探針的特異性來源于對被測分子專一性的結(jié)合蛋白，難以成為普遍使用的特異性構(gòu)建方法。量子點(diǎn)修飾分子印跡聚合物可增加量子點(diǎn)熒光傳感器的選擇性。YanX等在以巰丙基三乙氧硅烷(MPTS)覆蓋的Mn2+雜ZnS量子點(diǎn)表面合成分子印跡層，實(shí)現(xiàn)了河水樣品中微量五氯酚的選擇性定量測定［20］，檢出限為0．4×10－6mol/L。五氯酚進(jìn)入分子印跡層的空穴，量子點(diǎn)導(dǎo)帶上的電子向五氯酚分子/離子的最低未占用分子軌道轉(zhuǎn)移，量子點(diǎn)熒光淬滅。MPTS保護(hù)量子點(diǎn)并為分子印跡提供合成結(jié)合位點(diǎn)。XieM等用相同的方法制作了能用于檢測河水及土壤中微量四溴雙酚A的分子印跡聚合物修飾的Mn2+－ZnS量子點(diǎn)［21］。WangLeyu在Mn:ZnS量子點(diǎn)表面修飾了以二嗪農(nóng)為模版分子的分子印跡聚合物［22］，當(dāng)目標(biāo)分子二嗪農(nóng)結(jié)合至分子印跡層的空穴中時(shí)量子點(diǎn)熒光淬滅。該傳感器也同時(shí)利用了二嗪農(nóng)對量子點(diǎn)的熒光淬滅性能和分子印跡層對二嗪農(nóng)的分子識(shí)別作用，應(yīng)用于植物源性食品樣品也表現(xiàn)出了很好的選擇性。

3小結(jié)

納米材料具有良好的電學(xué)、光學(xué)性質(zhì)，根據(jù)與其他材料的組合方式或其表面修飾方式的應(yīng)用方式各異，在應(yīng)對不同檢測對象和檢測要求方面具有極強(qiáng)的適應(yīng)性，與衛(wèi)生檢驗(yàn)領(lǐng)域的實(shí)際檢測需求相契合。可見，納米材料傳感器在衛(wèi)生檢驗(yàn)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，值得進(jìn)一步探索。

作者：李陽 單位：成都中醫(yī)藥大學(xué)醫(yī)學(xué)技術(shù)學(xué)院