生物傳感器裝置由其生物或受生物啟發(fā)的受體單元定義，對(duì)相應(yīng)的分析物具有獨(dú)特的特異性。這些分析物通常具有生物學(xué)起源，例如細(xì)菌或病毒的DNA或從被感染或受污染的生物體的免疫系統(tǒng)（抗體，抗原）產(chǎn)生的蛋白質(zhì)。當(dāng)具有特定特異性的生物受體單元可用時(shí)，此類分析物也可以是簡(jiǎn)單的分子，例如葡萄糖或污染物。生物傳感器開(kāi)發(fā)中的許多其他挑戰(zhàn)之一是生物識(shí)別事件（轉(zhuǎn)導(dǎo)）的有效信號(hào)捕獲。這種換能器將分析物與生物元素的相互作用轉(zhuǎn)化為電化學(xué)，電化學(xué)發(fā)光，磁，重量或光學(xué)信號(hào)。為了增加靈敏度并降低甚至單個(gè)分子的檢測(cè)限，納米材料是有希望的候選物，因?yàn)樗锌赡芤詼p小的體積固定增加量的生物受體單元，甚至自身充當(dāng)轉(zhuǎn)導(dǎo)元件。在此類納米材料中，對(duì)金納米顆粒，半導(dǎo)體量子點(diǎn)，聚合物納米顆粒，碳納米管，納米金剛石和石墨烯進(jìn)行了深入研究。由于該研究領(lǐng)域的巨大發(fā)展，本文以非窮盡的方式總結(jié)了納米材料的優(yōu)勢(shì)，重點(diǎn)關(guān)注的是納米物體，這些物體比“僅僅”增加表面積提供了更多的有益特性。納米材料是有希望的候選物，因?yàn)樗锌赡芤詼p小的體積固定更多數(shù)量的生物受體單元，甚至可以自己充當(dāng)轉(zhuǎn)導(dǎo)元件。在此類納米材料中，對(duì)金納米顆粒，半導(dǎo)體量子點(diǎn)，聚合物納米顆粒，碳納米管，納米金剛石和石墨烯進(jìn)行了深入研究。由于該研究領(lǐng)域的巨大發(fā)展，本文以非窮盡的方式總結(jié)了納米材料的優(yōu)勢(shì)，重點(diǎn)關(guān)注的是納米物體，這些物體比“僅僅”增加表面積提供了更多的有益特性。納米材料是有希望的候選物，因?yàn)樗锌赡芤詼p小的體積固定更多數(shù)量的生物受體單元，甚至可以自己充當(dāng)轉(zhuǎn)導(dǎo)元件。在此類納米材料中，對(duì)金納米顆粒，半導(dǎo)體量子點(diǎn)，聚合物納米顆粒，碳納米管，納米金剛石和石墨烯進(jìn)行了深入研究。由于該研究領(lǐng)域的巨大發(fā)展，本文以非窮盡的方式總結(jié)了納米材料的優(yōu)勢(shì)，重點(diǎn)關(guān)注的是納米物體，這些物體比“僅僅”增加表面積提供了更多的有益特性。

介紹

像在許多不同的技術(shù)領(lǐng)域一樣，納米材料已經(jīng)證明了其在生物傳感應(yīng)用中的適用性。此類納米物體的智能使用顯著提高了性能，同時(shí)提高了靈敏度并降低了幾個(gè)數(shù)量級(jí)的檢測(cè)極限。所有納米材料的一個(gè)普遍優(yōu)勢(shì)是高比表面，因此已經(jīng)能夠固定數(shù)量增加的生物受體單元。然而，持續(xù)的挑戰(zhàn)之一是用于將生物特異性實(shí)體緊密結(jié)合到此類納米材料上的固定策略。因此，用于固定酶的技術(shù)是開(kāi)發(fā)可靠的生物傳感器的關(guān)鍵因素之一。

在參考文獻(xiàn)中總結(jié)了納米材料生物功能化的有效方法（Putzbach和Ronkainen，2013年）。簡(jiǎn)而言之，非共價(jià)方法代表了納米材料與生物實(shí)體之間的靜電相互作用，π-π堆積，聚合物中的陷獲或范德華力。這些原則保留了納米材料和生物分子的所有特定特性。

共價(jià)結(jié)合：將共價(jià)生物分子附著到納米材料上的策略在表面功能化的穩(wěn)定性和可重復(fù)性方面具有優(yōu)勢(shì)，并降低了非特異性的物理吸附。共價(jià)鍵可以例如通過(guò)經(jīng)典的酰胺偶聯(lián)反應(yīng)，交聯(lián)或點(diǎn)擊化學(xué)形成。一個(gè)缺點(diǎn)是生物分子的不受控制的錨定會(huì)影響負(fù)責(zé)識(shí)別事件的域。

通過(guò)超分子或配位相互作用固定生物分子：這項(xiàng)技術(shù)近年來(lái)在將生物物種結(jié)合到表面上已獲得廣泛認(rèn)可。在生物傳感器工程領(lǐng)域中使用的最著名的例子是生物素/抗生物素蛋白（或抗生蛋白鏈菌素）系統(tǒng)（Wilchek and Bayer，1988）。生物素化的生物分子可以通過(guò)親和素（或抗生蛋白鏈菌素）橋連接到生物素化的底物。已經(jīng)報(bào)道了其他親和系統(tǒng)，如次氮基三乙酸（NTA）/ Cu 2+ /組氨酸復(fù)合物（Haddour等，2005）或宿主-客體系統(tǒng)金剛烷/β-環(huán)糊精（Holzinger等，2009）。）。與其他固定方法相比，此類系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)是可逆性，從而可以重新生成換能器元件。此外，所有功能部件（例如功能化換能器表面和修飾的生物受體）都可以單獨(dú)表征，以確保所構(gòu)建生物傳感器的可重復(fù)性。

根據(jù)化學(xué)成分，幾乎所有的納米材料都可以通過(guò)直接官能化（在某些情況下已經(jīng)在合成過(guò)程中）或通過(guò)涂覆功能性聚合物而不影響其特定性能而具備適當(dāng)?shù)墓δ埽?/span>Biju，2014年）。這種功能化不僅允許生物受體單元的可再現(xiàn)固定，而且還可以提高這些材料的生物相容性。

生物傳感設(shè)備中的一個(gè)特殊問(wèn)題是識(shí)別事件無(wú)法通過(guò)使用的轉(zhuǎn)導(dǎo)技術(shù)直接檢測(cè)到。親和性生物傳感器就是這種情況，例如抗原與其抗體之間的免疫反應(yīng)或相應(yīng)的DNA鏈雜交。在此，必須使用經(jīng)過(guò)標(biāo)記修飾的其他生物特異性成分（二級(jí)抗體或DNA鏈），以進(jìn)行光學(xué)或電化學(xué)轉(zhuǎn)導(dǎo)。某些納米材料的特定特性顯然有助于“無(wú)標(biāo)記”轉(zhuǎn)導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，或者在用作標(biāo)記時(shí)有助于清晰的信號(hào)放大。

金納米顆粒

在貴金屬納米粒子組中，金納米粒子由于其生物相容性，其光學(xué)和電子特性以及相對(duì)簡(jiǎn)單的生產(chǎn)和修飾而最常用于生物傳感器應(yīng)用（Li等，2010a）（Biju，2014年）。

特別令人感興趣的是金表面的光學(xué)行為，其中一種特定波長(zhǎng)的光照射會(huì)引起導(dǎo)帶中電子的振蕩，這被稱為共振表面等離子體激元。當(dāng)粒徑遠(yuǎn)小于入射波長(zhǎng)時(shí)，振蕩電子將無(wú)法沿表面?zhèn)鞑ィ拖窠?jīng)典表面等離子體共振（SPR）裝置那樣。然后，電子密度在粒子的一側(cè)極化，在該一側(cè)，等離子體激元與光頻率發(fā)生共振振蕩（圖1）。這種現(xiàn)象用米氏理論（Mulvaney，1996；Hao等，2004）描述，并且強(qiáng)烈依賴于納米粒子的大小，形狀和環(huán)境的介電常數(shù)（Kelly等，2002）。這種環(huán)境依賴性對(duì)于（生物）分析而言是一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樽R(shí)別事件可能導(dǎo)致振蕩頻率發(fā)生變化，從而導(dǎo)致肉眼可觀察到的金納米顆粒的顏色發(fā)生變化。在這種情況下，開(kāi)發(fā)了一系列有效的比色生物傳感器用于DNA或寡核苷酸檢測(cè)或免疫傳感器（Reynolds等，2000；Oldenburg等，2002；Liu和Lu，2004；Xu等，2009）。

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