Applications of Nanobiosensor in Biomedical Field

·技术与方法·

BIOTECHNOLOGY BULLETIN

生物技术通报

2013年第4期

纳米生物传感器在生物医药中的应用

顿文涛1?李勉2?李燕3?李聪4?赵仲麟4，5?袁超4

（1.河南农业大学信息化管理处，郑州 450002；2.河南农业大学机电工程学院，郑州 450002；3.郑州轻工业学院食品与生物工程学院，郑

州 450002；4.河南农业大学理学院，郑州 450002；5.河南农业大学资源与环境学院，郑州 450002）

摘 要： 纳米材料与生物感应元件结合用以选择性识别化学或生物学分子，加速了新型纳米生物传感器的发展。与传统的方法相比，纳米生物传感器具有多种优点，对人类将产生重要的影响。现在纳米生物传感器的发展趋势是微型化、灵敏化、可靠化，选择性的感应设备主要集中在纳米材料和生物分子的结合上用于检测广范围的分析物上。综述生物医疗中基于不同生物识别元件的纳米生物传感器应用以及该领域的近期发展。

关键词： 纳米材料 生物传感器 检测 识别 生物医药

Applications of Nanobiosensor in Biomedical Field

（1. Department of Information Management，Henan Agricultural University，Zhengzhou 450002；2. Mechanical & Electrical Engineering

3. School of Food and Biological Engineering，Zhengzhou University of Light College，Henan Agricultural University，Zhengzhou 450002；

4. College of Sciences，Henan Agricultural University，Zhengzhou 450002；5. Resource and Environment Industry，Zhengzhou 450002；

College，Henan Agricultural University，Zhengzhou 450002）

Abstract:?The development of novel nanobiosensors was accelerated by the combination of nanomaterials and biological sensing elements, which could recognize chemical or biological molecules selectively. Nanobiosensors would have significant impacts on human and it also have many advantages compare to conventional biological procedures. The developmental trends of nanobiosensor are miniaturized, reliable, and sensitive. The selective sensing instruments have focused on combining nanomaterials with biomolecules for analytes’ detection. Herein, we reviewed the various nanomaterial-based biosensors which use different biological recognition elements for biomedical applications.

Key?words:?Nanomaterial Biosensor Detection Recognize Biomedicine

Dun Wentao1 Li Mian2 Li Yan3 Li Cong4 Zhao Zhonglin4，5 Yuan Chao4

纳米技术的迅速发展为人们带来了大量的新材料以及性能更好的新设备。纳米材料的加工和操作的可控性使得纳米规模设备的快速发展成为可能。与此同时，纳米材料独特的化学和电子特性也为新。纳米材料具备型生物传感器的研发带来了机遇［1］

不同的大小、性状、特性，如纳米管（NTs）和纳米。生线（NWs）等已被开发用于生物传感器中［2，3］物材料与纳米规模电子设备的整合具备多种优点，可用于检测化学和生物样品。大多数生物过程包括静电互作和电荷转移都可以通过基于纳米材料的电

子设备进行检测，这些类型的生物传感器都适于进行生物检测。本文是对当前纳米生物传感器在生物医药应用中检测目标物、与抗原相关的疾病、活细胞中细胞信号等方面的情况进行的综述。

1 基于纳米的生物传感器

生物传感器是一种可以检测待分析物的装置，主要包括生物识别组件和物理化学检测组件［4，5］。生物组件主要是初级传导的作用，物理化学检测组件是信号转换单元，负责信号放大与传递。许多不同种类的生物分子，如DNA、核酸适体、PNA、细胞、

收稿日期：2012-10-16 基金项目：国家自然科学基金项目（31100067），河南农业大学博士启动项目（30300171）作者简介：顿文涛，男，硕士研究生，工程师，研究方向：传感器与检测技术、计算机网络；E-mail：dun@http://wendang.chazidian.com 通讯作者： 赵仲麟，男，副教授，研究方向：化学生物学、蛋白质工程；E-mail：rayzzl@http://wendang.chazidian.com

袁超，男，副教授，研究方向：智能检测与信息技术；E-mail：yuanchaobio@http://wendang.chazidian.com

50

生物技术通报 Biotechnology Bulletin

2013年第4期

微生物、神经元、蛋白质、抗体及组织切片等都可以通过生物传感器进行识别［6］。纳米生物传感器中作为二级传感器的纳米材料的范围非常广泛，它们具有独特、灵敏的电学特性，可进行高效的电子传递［7］。当生化作用产生的信号转化为可测量的输出值时，作为二级传感器的纳米材料就可作为一个界面来检测物质的变化情况。因此，将具有高灵敏度的纳米平台与生物分子整合形成的高性能的生物传感器，可检测反应中由于电荷改变引起的信号，这些信号可以是电、热、光等经进一步处理转变成数字信号。

纳米生物传感器的两种重要的特性是可选择性和灵敏性。灵敏性反应的是生物传感器的检测能力，传感器信号变化的强度反应出分析物浓度的改变。生物传感器的可选择性则取决于生物受体的选择，通过基于纳米材料的传感器和不同的生物识别元件的结合来进行变换。生物分子与分析物结合后，纳米生物传感器可以识别纳米材料上电荷的改变，通过变化准确定量分析物的浓度。

最近，场效应晶体管（FET）平台被广泛的用于高性能生物传感器中。这种用于化学和生物检测的生物传感器有几个重要的特征。首先，晶体管中检测源和漏极电极间，单一或是网络化的纳米材料作为导电电路［8］。其检测原理是电荷从分析物生物分子转移到纳米材料上。如果产生一个电荷，阈值电压或电流将变为正或负。其次，纳米材料一般是置于支持物表面上，直接与生物分子连接用于目标分析物的检测。当带电的目标分子结合到装置表面的生物分子时，场效应晶体管的电导率会发生改变。最后，所有的电流将流到纳米材料的横截面上。最终使得场效应晶体管装置的构造对于周围环境微小的变化都非常灵敏。场效应取决与德拜长度、纳米材料的大小、栅压、源漏电压、纳米材料的表面化学过程等多种因素［9］。例如，检测时带电分子必需具有有效的电场长度，则可以通过溶液的离子强度加以控制。因此，选择缓冲液对于改进场效应晶体管传感器的性能至关重要，但目前这方面的试验数据和理论模型还十分缺乏［10］。

近些年来，巨磁阻传感器在生物分子检测方面显示出巨大的潜力，可以检测和分析进过磁标记的

核酸、蛋白质、细胞或是微生物［11，12］

。这种传感器是基于磁标记的生物分子的磁场进行检测，使用磁颗粒作为标记标签，被标记的生物分子与固定在磁场传感器上的互补的生物分子相互作用［13，14］，传感器检测电阻中磁标签的出现情况。但血液、尿液、血清等生物样品用这种检测平台进行定量检测的时候，磁材料的量往往不足，生物分子必须使用磁珠、纳米颗粒等这类的磁标签或载体进行功能化处理。此外，这种巨磁阻传感器在进行分析物检测的时候，灵敏度、特异性及信噪比等常会受到磁标签大小、性状、组成及表明特性等影响，因此，在特定用途下才选择这种带有磁标签的巨磁阻传感器。

2 纳米材料在传感器中的应用

纳米材料具有合成可控的优点，新功能的纳米材料可以被创造出来。如果按比例缩小，很多新材料展示出很多新的特性。纳米材料的大小范围从1-100 nm，多种类型的纳米材料已被应用于生物传

感器中，如碳纳米管（CNT）［15］

、石墨烯［16］、导电聚合物纳米管（CPNT）［17］和硅纳米线（SiNW）

［18］等。因为纳米材料独特的物理、化学、机械、磁学和光学特性，可以显著地增强检测的特异性和敏感性。纳米材料有表面积大、连通性、电导率、生物兼容性等很多优点。一个高效的纳米生物传感器需要考虑所使用纳米材料的类型，它与生物传感器的效果直接相关。一般来讲，纳米材料的制备主要使用两种基本方法，一种是由下至上法，即从小结构到大结构的自我组装；另一种是由上至下法，即从较大的体系减小至较小的多功能的纳米结构［7］。

3 纳米生物传感器在生物医药领域的应用

核酸、酶、抗体、受体和细胞等多种生物分子都可用于开发生物传感器。但传统生物传感器的灵敏度较低，限制了它们的应用［19，20］。与传统检测方法相比，生物材料与含有纳米材料的电子设备整合后优势则更加明显。最近，人们开发出多种基于不同纳米材料的生物传感器平台用于生物、物理、化学、医药、材料及多个交叉领域检测中。

3.1 核酸纳米生物传感器

用于检测特异性DNA的纳米生物传感器对于基础生物学研究和遗传病筛查将产生巨大的影响。

顿文涛等：纳米生物传感器在生物医药中的应用

DNA 生物传感器是利用固定在纳米材料表面上的单链DNA 进行检测，可以进行序列特异性DNA的杂

交或识别互补目标DNA［21］

。 传统检测序列DNA常

用PCR和荧光分析法，这些方法成本高、费时、费力。基于纳米材料的传感器平台提供了简单、省力、实时的DNA检测方法。Staii等

［22］

开发出一套纳米

生物传感器检测气体气味。单链DNA对于单壁碳纳米管（swCNT）有很高的亲和性，可以直接固定到单壁碳纳米管表面，单链DNA寡聚物与气味分子相互作用使单壁碳纳米管产生微小的扰动，可通过生物传感器装置进行检测。Johnson等

［23］

研发出一

套DNA包裹的单壁碳纳米管生物传感器用于呼吸试验。呼吸和体味的检测可以提供与疾病检测、诊断、治疗相关的很多有价值的信息，该纳米传感器可以提供非常重要的人体呼吸诊断数据。

另一种高度敏感的、序列特异DNA传感器使用硅纳米线（SiNWs），共价固定单链DNA探针

［24］

。

硅纳米线表面进行甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（MPTMS）功能化处理，之后将单链DNA探针固定到硅纳米线上。与非共价附着的方法相比，共价锚定在硅纳米线的DNA 可提供一个较稳定的、特异的DNA检测环境［25］。该系统可以检测25 pmol/L 浓度的目标DNA，能区分单个碱基的错配。当目标DNA附着到硅纳米线表面DNA探针上时，杂交后负电荷增加引起电导率变化。

Yang等［12］报道了一个基于巨磁阻抗的微管系统用于人乳头瘤病毒HPV的基因分型。HPV感染是一种重要的子宫颈致癌因子，HPV的基因分型可以通过杂交后微管中HPV 巨磁阻率的变化进行检测。近些年，肽核酸（PNA）被用于取代DNA作为初级传感器［26，27］。使用肽核酸作为探针时产生的背景电荷非常低，而且在低例子强度下，肽核酸与其他DNA类似物相比具有更好的亲和性和稳定性，可以消除两条杂交链间的静电排斥作用。

核酸适体是合成的DNA 或 RNA寡核苷酸探针，可特异结合蛋白质，并对于金属离子、小分子有机分子、细胞等都具有很高的特异性和亲和性［28］。核酸适体经体外筛选技术SELEX（指数富集配体系统进化）从组合核酸文库中筛选出。合成的核酸适体相对便宜，可以通过工程改造应用于纳米生物传感

器中。而且核酸适体具有可逆变性的能力，这就意味着生物传感器能够持续的重复使用。Lee等［29］认为核酸适体适合作为生物大分子中蛋白的识别检测。

Yoon等［30］

则利用凝血酶适体交联羧酸聚吡咯（CPPy）

纳米管用于无标记的电化学蛋白质检测。

3.2 酶生物传感器

由于酶具有独特的识别和催化特性，使得它可以作为生物传感器的识别元件。酶的生物催化活性使得分析物通过催化反应进行特异的生物化学反应。分析物与酶结合会暂时改变它所带电荷，酶的构象发生改变，通过设备进行检测［31］。酶与底物反应过程中酶浓度的改变和离子浓度的改变也能够通过传感器进行检测，这些基于酶的生物传感器也被设计用于制造具有高度稳定性和敏感性的生物电装置。大多数酶生物传感器研究集中在利用的葡萄糖氧化酶检测葡萄糖，用于诊断和控制糖尿病［32］。多种电化学生物传感器被用于监测血糖水平中，包括将葡萄糖氧化酶固定于不同的纳米材料上。Strano等［33］开发出一种基于碳纳米管的生物传感器用于体内长期检测葡萄糖。将葡萄糖氧化酶通过1-芘丁酸肼的连接分子附着在单壁碳纳米管侧壁上，葡萄糖氧化酶包裹的碳纳米管作为pH感受器，催化反应将葡萄糖转化为葡萄糖酸内酯，葡萄糖氧化酶的负电荷增加，从而使pH升高，结果导致碳纳米管的电导率改变。

此外，一些酶生物传感器也被用于精确检测酶的生物催化活性，如将谷氨酸脱氢酶［34］、乙酰胆碱酯酶［35］、胆固醇氧化酶［36］和乙醇脱氢酶［37］等固定到纳米生物传感器上进行分析物的检测。

3.3 抗体生物传感器

抗体是人类和其他哺乳动物免疫系统产生的蛋白质，能够识别和结合到抗原或病毒等有机大分子上，较适于制造生物传感器。当抗原结合到传感器表面上的抗体上后，纳米生物传感器能够灵敏的实时检测与疾病有关的抗原，利用这点也能够开发出一些与癌症相关的新的生物标记物。

近来发现了多种不同的癌症特异性生物标记物，如前列腺特异抗原（PSA）、VEGF、α胎蛋白（AFP）、癌胚抗原（CEA）等［38，39］。Li等［40］使用氧化铟

52

生物技术通报 Biotechnology Bulletin

2013年第4期

纳米线和碳纳米管网络作为传感器检测前列腺特异抗原PSA。PSA是前列腺癌的肿瘤标记，常用于男性癌症诊断中。他们将抗PSA抗体共价附着在氧化铟纳米线表面上，然后锚定到功能化的碳纳米管表面上制成传感器。这种传感器的PSA最低检测浓度是5 ng/mL，足够用于临床前列腺癌的诊断。Bangar 等［41］报道了一种基于单导电聚合物的生物传感器，用于癌症生物标记物蛋白——癌抗原的检测，这种传感器已用于女性卵巢癌的筛查中。发展出的生物传感器还可以检测未经前处理的人血液样本中的癌

抗原

［42］。Lieber等［25］

利用硅纳米线检测癌标记抗原，他们利用经癌症标记抗体修饰的阵列进行实时多重检测未经稀释的血清的样本中的前列腺特异抗原、癌胚抗原、黏液素等，最低浓度可达0.9 pg/mL。抗原抗体间的作用产生的多重电信号则可通过纳米生物传感器进行检测。

3.4 细胞纳米生物传感器

基于纳米材料的生物传感器也被用于细胞信号的检测中

［18］

。这种细胞检测系统利用全细胞作为初

级传感器，产生的信号通过二级传感器进行转换成电信号以用于检测。外源试剂与细胞受体结合地洞细胞与分析物间的相互作用。例如，细胞膜受体与其他的蛋白或配体互作，可引起下游细胞内信号途径作为二级响应［43］

。此外，对于如基因表达、膜损伤、细胞凋亡、胀亡等由危险物诱导引起的生理反应评估中，利用细胞纳米生物传感器可以进行危险物质的毒性分析。迄今为止，利用膜片钳这类微管电极技术进行电生理学检测能够在体内、体外记录细胞膜内外电位，具有很好的空间分辨率［44］

，但很难利用这种方法进行复合检测。而像场效应晶体管 密连接，进行平行的大规模多重检测，也可用于个体神经网络轴突和树突水平测量中［45］

。纳米表面和细胞膜的相互作用可加强细胞粘连和导向，因为纳米材料与细胞具有较好的生物兼容性和大小兼容性，例如，碳纳米管、石墨烯等形成的纳米结构表面可以促进细胞黏附、延伸、轴突生长［46］

。纳米线场效应晶体管（NW-FET）阵列用于各种细胞检测已有报道。Patolsky 等［18］将 SiNW-

FET阵列与个体轴突整合，神经元树突则可以记录细胞外由于神经信号刺激和抑制引起变化。组织作为另一种界面，可以通过其检测生理电信号更好地理解组织机能障碍问题［47］

。Timko等［48］通过纳米线场效应晶体管阵列，记录心脏组织中细胞的反应。

目前的细胞纳米传感器也存在如特异性、长期

稳定性、可靠性、成本等问题限制其应用。 Chen等

［49］

使用巨磁阻抗GMI生物传感系统检测胃癌细胞。经过RGD肽功能化后的纳米颗粒可以识别胃癌细胞中的整合素，将功能化的纳米颗粒加入胃癌细胞中。当癌细胞纳米颗粒复合体暴露在胞外磁场中时，则可通过巨磁阻抗检测。纳米颗粒的有无可以改变传感器的磁抗阻，提供检测信号。

4 展望

基于生物分子修饰的纳米生物传感器的发展为现代的检测手段提供了新的机遇。纳米传感器具有高灵敏度、高选择性、无标记等多种重要的特性，是一种高效的检测手段，可用于诸如癌症、代谢紊乱、遗传紊乱等疾病诊断和新药开发中。随着纳米技术和生物技术的不断发展，在不久的将来可以利用纳米生物传感器进行个性化用药，也可用于常规体检或危险物引起的健康问题检查中。

参 考 文 献

Zhang X, Guo Q, Cui D. Recent advances in nanotechnology applied

to biosensors［J］. Sensors, 2009, 9：1033-1053.

Baughman RH, Zakhidov AA, de Heer WA. Carbon nanotubes—the

route toward applications［J］. Science, 2002, 297：787-792. Cui Y, Lieber CM. Functional nanoscale electronic devices assembled

using silicon nanowire building blocks［J］. Science, 2001, 291：851-853.

赵仲麟, 马鑫, 李燕, 等.基于内含肽技术的生物传感器［J］.

中国农业科技导报, 2012, 14（3）：56-60.

唐芳琼, 孟宪伟, 陈东, 等.纳米颗粒增强的葡萄糖生物传感

器［J］. 中国科学（B辑）, 2000, 30（2）：119-124.

Song HS, Park TH. Integration of biomolecules and nanomaterials：

towards highly selective and sensitive biosensors［J］. Biotechnol J, 2011, 6：1-7.

Yogeswaran U, Chen SM. A review on the electrochemical sensors

［1］［2］［3］［4］［5］［6］［7］（FET）阵列这类纳米结构可在细胞和底物间形成紧

顿文涛等：纳米生物传感器在生物医药中的应用

and biosensors composed of nanowires as sensing material［J］. Sensors, 2008, 8：290-313.

［8］ Tans SJ, Verschueren ARM, Dekker C. Room-temperature transistor

based on a single carbon nanotube［J］. Nature, 1998, 393：49-52.［9］ Elfstrom N, Juhasz R, Sychugov I, et al. Surface charge sensitivity

of silicon nanowires：size dependence［J］. Nano Lett, 2007, 7：2608-2612.

［10］ Zhang GJ, Zhang G, Chua JH, et al. DNA sensing by silicon nano-wire：charge layer distance dependence［J］. Nano Lett, 2008, 8：1066-1070.

［11］ Osterfeld SJ, Yu H, Gaster RS, et al. Multiplex protein assays based

on real-time magnetic nanotag sensing［J］. Proc Natl Acad Sci, 2008, 105：20637-20640.

［12］ Yang H, Chen L, Lei C, et al. Giant magnetoimpedance-based

microchannel system for quick and parallel genotyping of human papilloma virus type 16/18［J］. Appl Phys Lett, 2010, 97：043702.

［13］ Graham DL, Ferreira HA, Freitas PP. Magnetoresistive-based

biosensors and biochips［J］. Trends Biotechnol, 2004, 22：455-462.

［14］ Wang SX, Li G. Advances in giant magnetoresistance biosensors

with magnetic nanoparticle tags：reviewand outlook［J］. IEEE Trans Magn, 2008, 44：1687-1702.

［15］ Hirsch A. Functionalization of single-walled carbon nanotubes［J］.

Angew Chem Int Ed, 2002, 41：1853-1859.

［16］ Nistor RA, Newns DM, Martyna GJ. The role of chemistry in grap-hene doping for carbon-based electronics［J］. ACS Nano, 2011, 5：3096-3103.

［17］ Wan M. A template-free method towards conducting polymer

nanostructures［J］. Adv Mater, 2008, 20：2926-2932.

［18］ Patolsky F, Timko BP, Yu G, et al. Detection, stimulation, and

inhibition of neuronal signals with high-density nanowire transistor arrays［J］. Science, 2006, 313：100-104.

［19］ Lange K, Rapp BE, Rapp M. Surface acoustic wave biosensors：a

review［J］. Anal Bioanal Chem, 2008, 391：1509-1519.［20］ Rich RL, Myszka DG. Advances in surface plasmon resonance

biosensor analysis［J］. Curr Opin Biotechnol, 2000, 11：54-61.［21］ Keren K, Berman RS, Buchstab E, et al. DNA-templated carbon

nanotube field-effect transistor［J］. Science, 2003, 302：1380-1382.

［22］ Staii C, Chen M, Gelperin A, et al. DNA-decorated carbon nanotu-bes for chemical sensing［J］. Nano Lett, 2005, 5：1774-1778.［23］ Johnson A, Khamis SM, Pretil G, et al. DNA-coated nanosensors for

breath analysis［J］. IEEE Sens J, 2010, 10：159-166.

［24］ Li Z, Chen Y, Li X, et al. Sequence-specific label-free DNA sensors

based on silicon nanowires［J］. Nano Lett, 2004, 4：245-247.［25］ Homs MC. DNA sensors［J］. Anal Lett, 2002, 35：1875-1894.［26］ Cattani-Scholz A, Pedone D, Dubey M, et al. Organophosphonate-based PNA-functional- ization of silicon nanowires for label-free DNA detection［J］. ACS Nano, 2008, 2：1653-1660.

［27］ Zhang GJ, Chua JH, Chee RE, et al. Highly sensitive measurements

of PNA-DNA hybridiza-tion using oxide-etched silicon nanowire biosensors［J］. Biosens Bioelectron, 2008, 23：1701-1707.［28］ Song S, Wang L, Li J, et al. Aptamer-based biosensors［J］.

Trends Anal Chem, 2008, 27：108-117.

［29］ So HM, Won K, Kim YH, et al. Single-walled carbon nanotube

biosensors using aptamers as molecular recognition elements［J］. J Am Chem Soc, 2005, 127：11906-11907.

［30］ Yoon H, Kim JH, Lee N, et al. A novel sensor platform based

on aptamer-conjugated polypyrrole nanotubes for label-free electrochemical protein detection［J］. Chem Bio Chem, 2008, 8：634-641.

［31］ Besteman K, Lee JO, Wiertz FGM, et al. Enzyme-coated carbon

nanotubes as single-molecule biosensors［J］. Nano Lett, 2003, 3：727-730.

［32］ Kang X, Wang J, Wu H, et al. Glucose oxidase-graphene-chitosan

modified electrode for direct electrochemistry and glucose sensing［J］. Biosens Bioelectron, 2009, 25：901-905.

［33］ Barone PW, Parker RS, Strano MS. In vivo fluorescence detection

of glucose using a single-walled carbon nanotube optical sensor：design, fluorophore properties, advantages, and disadvantages ［J］. Anal Chem, 2005, 77：7556-7562.

［34］ Rahman MM, Umar A, Sawada K. High-sensitive glutamate

biosensor based on NADH at Lauth’s violet/multiwalled carbon nanotubes composite film on gold substrates ［J］. J Phys Chem B, 2009, 113：1511-1516.

［35］ Xue W, Cui T. A thin-film transistor based acetyl-choline sensor

using self-assembled carbon nanotubes and SiO2 nanoparticles ［J］. Sens Actuators B, 2008, 134：981-987.

［36］ Carraraa S, Shumyantsevab VV, Archakovb AI, et al. Screen-