傳感器進入低維有機材料發(fā)展時代

日前，中國科學(xué)院化學(xué)研究所光化學(xué)院重點實驗室趙永生課題組利用高比表面積的一維納米材料，制備出一種更加靈敏的電化學(xué)發(fā)光納米生物傳感器。有機低維納米材料由于其獨特的結(jié)構(gòu)和新穎的物理、化學(xué)性質(zhì)，在生物傳感領(lǐng)域中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

生物傳感器是用固定化的生物體成分，如酶、抗原、抗體、激素等，或者是生物體本身的細胞、細胞器、組織等作為傳感元件制成的傳感器。

檢測性能得到提升

從細菌到人，所有生物都在使用“生物分子開關(guān)”來監(jiān)測環(huán)境。此類“開關(guān)”，即由RNA或蛋白制成、可改變形狀的分子。這些“分子開關(guān)”的誘人之處在于：它們很小，足以在細胞內(nèi)“辦公”，而且非常有針對性，足以應(yīng)付非常復(fù)雜的環(huán)境。受到這些天然“開關(guān)”的啟發(fā)，納米生物傳感器應(yīng)運而生。

2012年，中科院上海應(yīng)用物理研究所、蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所、復(fù)旦大學(xué)中山醫(yī)院、上海計量測試技術(shù)研究院合作開發(fā)了一種基于DNA納米結(jié)構(gòu)修飾界面的電化學(xué)生物傳感器，用于microRNA腫瘤靶標的超靈敏檢測。

與傳統(tǒng)的PCR等均相檢測方法相比，基于表面反應(yīng)的電化學(xué)生物傳感器對疾病相關(guān)的microRNAs檢測具有更加廉價、更容易實現(xiàn)現(xiàn)場檢測的優(yōu)點。然而，電化學(xué)生物傳感器的靈敏度常常受到界面?zhèn)髻|(zhì)過程和擁擠效應(yīng)的限制。為了解決這些問題，樊春海研究員及其團隊之前已發(fā)展了利用三維DNA納米結(jié)構(gòu)修飾金電極表面的新方法，可以顯著增強表面分子的結(jié)合能力和提高檢測靈敏度。

2012年，美國普渡大學(xué)等機構(gòu)的研究人員制成了新型生物傳感器，能夠以非侵入的方式進行糖尿病測試，探測出人體唾液和眼淚中極低的葡萄糖濃度。這項技術(shù)無需過于繁復(fù)的生產(chǎn)步驟，從而可降低傳感器的制造成本，并可能幫助消除或降低利用針刺進行糖尿病測試的幾率。

新型生物傳感器包括3個主要部分：石墨烯制成的納米片層、鉑納米粒子和葡萄糖氧化酶。其中的納米片仿若微小的玫瑰花瓣，每片花瓣均包含著多個堆疊的石墨烯層。花瓣的邊緣也懸掛著不完整的化學(xué)鍵，使鉑納米粒子可以附著在這里。納米片和鉑納米粒子相結(jié)合能夠形成電極，隨后葡萄糖氧化酶也可附著在鉑納米粒子上。酶能將葡萄糖轉(zhuǎn)化為過氧化物，并且在電極上產(chǎn)生一個信號。

低維有機材料劃時代發(fā)展

業(yè)內(nèi)人士分許指出，納米材料應(yīng)用于電化學(xué)生物傳感器領(lǐng)域后，不僅提高了傳感器的檢測性能，而且提升了傳感器的化學(xué)和物理性質(zhì)以及它對生物分子或細胞的檢測靈敏度，檢測時間也得以縮短，與此同時還實現(xiàn)了高通量的實時分析檢測。該項研究也為低維納米材料制備生物傳感器提供了重要的理論和實驗依據(jù)。

傳感器為推動機器人產(chǎn)業(yè)快速有序發(fā)展立下了汗馬功勞。傳感器是用來檢測機器人自身的工作狀態(tài)，以及機器人智能探測外部工作環(huán)境和對象狀態(tài)的核心部件。能感受規(guī)定的被測量，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。

納米材料具有小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)及宏觀量子隧道效應(yīng)等，使得其表現(xiàn)出奇異的化學(xué)、物理性質(zhì)。此前，研究人員就曾用瓊脂糖將葡萄糖氧化酶和連接了二茂鐵的單壁碳納米管固定在玻碳電極表面，實現(xiàn)了對葡萄糖的快速靈敏檢測。碳納米管的引入還能夠顯著提高電化學(xué)敏感膜中電活性物質(zhì)的氧化還原可逆性，同時消除了溶解氧對測定的干擾。