摘要：納米技術(shù)的介入為生物傳感器的發(fā)展提供了無窮的想象空間。納米顆粒(如納米金、磁粒子、熒光顆粒等)可以廣泛地應(yīng)用于敏感分子的固定，信號(hào)的檢測(cè)和放大以及待測(cè)物質(zhì)的富集和濃縮。而納米結(jié)構(gòu)由于其獨(dú)特的化學(xué)和物理性能，顯著提高了生物傳感器檢測(cè)的靈敏度，縮短了生化反應(yīng)的時(shí)間和提高檢測(cè)的通量�？梢哉f，納米技術(shù)的應(yīng)用是生物傳感器發(fā)展的新方向。

關(guān)鍵詞：納米技術(shù)；生物傳感器；納機(jī)電系統(tǒng)

一、引言

納米技術(shù)(nanometer technology)主要是針對(duì)尺度為1nm~100nm之間的分子世界的一門技術(shù)。該尺寸處在原子、分子為代表的微觀世界和宏觀物體交界的過渡區(qū)域，基于此尺寸的系統(tǒng)既非典型的微觀系統(tǒng)亦非典型的宏觀系統(tǒng)，因此有著獨(dú)特的化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)，如表面效應(yīng)、微尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等。

納米技術(shù)引入生物傳感器領(lǐng)域后，提高了生物傳感器的檢測(cè)性能，并促發(fā)了新型的生物傳感器。因?yàn)榫哂辛藖單⒚椎某叽�、換能器、探針或者納米微系統(tǒng)，生物傳感器的化學(xué)和物理性質(zhì)和其對(duì)生物分子或者細(xì)胞的檢測(cè)靈敏度大幅提高，檢測(cè)的反應(yīng)時(shí)間也得以縮短，并且可以實(shí)現(xiàn)高通量的實(shí)時(shí)檢測(cè)分析。本文就納米技術(shù)在生物傳感器中的應(yīng)用作一介紹，包括多種納米結(jié)構(gòu)的性能和制作。

二、納米結(jié)構(gòu)

納米結(jié)構(gòu)在生物傳感器中應(yīng)用非常廣泛，納米結(jié)構(gòu)可以是管道、纖維、顆粒、光纖以及薄膜和多孔體等。下面就不同納米結(jié)構(gòu)在生物傳感器中應(yīng)用分別進(jìn)行介紹。

1、納米顆粒在生物傳感器中的應(yīng)用

關(guān)于納米顆粒的研究很多，例如將功能性納米顆粒(如電子性質(zhì)的、光學(xué)性質(zhì)的和磁性的)固定在生物大分子(如多肽、蛋白、核酸)上，可制成用于生物信號(hào)檢測(cè)、信號(hào)轉(zhuǎn)換和放大的傳感器，其可分為聲波、光學(xué)、磁性和電化學(xué)等種類。

（1）聲波生物傳感器

聲波生物傳感器是檢測(cè)待檢測(cè)物質(zhì)引起聲波頻率改變的傳感器。其中，被研究最多的是石英晶體微天平(quartz crystal microbalance, qcm)生物傳感器。其壓電晶體常用at方式(at切割指切割面與石英晶體主光軸成25.15°，此刻，在室溫下晶體共振溫度系數(shù)接近于零)，在晶體的兩面則采用離子束沉積等方法形成兩個(gè)平行金屬 (au，ag，pt，ni，pd等)膜電極。膜電極的表面固定識(shí)別分子，識(shí)別分子因其有特異性而結(jié)合待檢測(cè)分子，引起電極表面的質(zhì)量變化，從而改變石英晶體的振蕩頻率。如果在待檢測(cè)分子上修飾納米顆粒， 會(huì)顯著提高待檢測(cè)分子的質(zhì)量，則檢測(cè)信號(hào)也隨之增強(qiáng)。ward等人用納米膠顆粒標(biāo)記抗體，通過抗體－抗原免疫方法將其結(jié)合到石英晶體表面，由于修飾膠體顆粒(溶膠顆粒的直徑在5~100nm)提高了標(biāo)記分子的質(zhì)量，根據(jù)sauerbrey方程，石英晶體的振蕩頻率也相應(yīng)得以提高，因而檢測(cè)信號(hào)被放大，檢測(cè)靈敏度提高，檢測(cè)下限也降低了。

（2）光學(xué)生物傳感器

納米金屬顆�？梢杂糜诠夤舱駲z測(cè)，bauer等人通過抗原－抗體或蛋白－受體結(jié)合等方法在導(dǎo)電材料表面固定納米金屬顆粒團(tuán)，由于納米顆粒反射偶極子的相互作用，引起反射光的共振增強(qiáng)，通過檢測(cè)共振信號(hào)即可探知待檢測(cè)物質(zhì)。納米顆粒也可以用來定位腫瘤，熒光素標(biāo)記的識(shí)別因子與腫瘤受體結(jié)合，然后在體外用儀器顯示出腫瘤的大小和位置。

納米金屬顆粒還可以作為一種通用的熒光湮滅基團(tuán)。maxwell等人在寡核甘酸探針分子的兩端分別標(biāo)記納米金顆粒和熒光激發(fā)基團(tuán)，探針由于堿基互補(bǔ)形成“發(fā)卡”結(jié)構(gòu)，熒光激發(fā)基團(tuán)和納米金顆�？拷鸺ぐl(fā)熒光湮滅；而當(dāng)探針與特異性靶dna結(jié)合后，其構(gòu)象發(fā)生變化，納米金顆粒和熒光激發(fā)基團(tuán)分離，從而激發(fā)出熒光。該原理可用于核酸的實(shí)時(shí)熒光檢測(cè)，以及單堿基突變多態(tài)性檢測(cè)等。

（3）磁性生物傳感器

磁性納米顆粒在生物檢測(cè)和藥物分析上有著重要的應(yīng)用價(jià)值。通過磁性材料標(biāo)記生物分子，結(jié)合分子識(shí)別技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)樣品的混合、分離、檢測(cè)等復(fù)雜操作。Šafařík和Šafaříková[4]等人用磁性材料標(biāo)記分子，在磁場(chǎng)梯度下實(shí)現(xiàn)樣品的分離和檢測(cè)。richardson等人通過磁免疫分析技術(shù)，用磁力計(jì)數(shù)器檢測(cè)磁性標(biāo)記分子。另外，用納米磁性顆粒標(biāo)記識(shí)別因子，與腫瘤表面的靶標(biāo)識(shí)別器結(jié)合后，可在體外測(cè)定磁性顆粒在體內(nèi)的分布和位置，從而給腫瘤定位。

chemla等人利用順磁性的納米顆粒和基于高溫瞬態(tài)直流超導(dǎo)量子界面裝置(superconducting quantum interference device，squid)的顯微鏡，提出了一種新穎的生物樣品的快速檢測(cè)技術(shù)。首先，把固定抗體的磁性顆粒懸浮在溶液中，然后在瞬時(shí)磁場(chǎng)脈沖下，磁化納米顆粒產(chǎn)生，當(dāng)磁場(chǎng)消失時(shí)，顆粒趨向自由分布，因?yàn)闆]有結(jié)合抗體的顆粒呈布朗運(yùn)動(dòng)，所以沒有檢測(cè)信號(hào)；而結(jié)合靶分子的納米顆粒按照neel松弛方式運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生一個(gè)緩慢衰減的磁信號(hào)，