纳米技术在生物传感器及检测中的应用

纳米生物技术是纳米技术与生物技术交叉渗透形成的新技术,是纳米技术的重要组成部分,也是将来生物医学领域中的一个重要发展方向。纳米颗粒是生物医学中研究最多、应用最广的纳米材料,有着许多独特的性质。本文叙述了近年来国际上以纳米颗粒为基础的纳米技术在生物传感器及生物检测中的研究成果和进展,介绍了纳米颗粒的制备方法,以及它们在纳米生物传感器和纳米生物芯片中的应用,结合纳米病原微生物检测也介绍了我们进行的有关免疫传感器检测细菌的研究成果。最后,对该领域的应用前景进行了展望。

基于虚拟气体传感器阵列的新型肺癌检测电子鼻实验研究

本研究介绍了一种新型的基于虚拟气体传感器阵列及图象识别方法的新型无创肺癌检测与诊断电子鼻。该电子鼻包含一个由固相微萃取和毛细管柱组成的前处理装置实现病人呼吸气体中有机气体成分的浓缩吸附、脱附和分离,通过一个表面涂覆聚异丁稀薄膜差动结构的声表面波传感器对分离后的有机气体成分进行定量检测。此外,采用由毛细管柱方法实现的虚拟气体传感器阵列及改进的人工神经网络算法实现对肺癌呼吸气味图像的有效识别。通过临床实验验证,表明该电子鼻仪器可以有效地识别出肺癌患者、肺癌疑似病人和健康人,因此将有望在包括肺癌等疾病的早期诊断仪器中发挥重要的作用。

检测大肠杆菌O157:H7的电化学阻抗谱生物传感器的研究

我们提出了用掺锡的三氧化二铟 (ITO)作为工作电极 ,通过硅烷化固定化技术 ,将抗大肠杆菌O15 7:H7单克隆抗体固定在ITO电极表面 ,利用电化学阻抗谱技术来构建一种新型的免疫传感器。该新型的免疫传感器的检测限为 4× 10 3 CFU/mL ,检测线性范围为 4× 10 3 - 4× 10 6CFU/mL。实验研究表明 ,该传感器具有灵敏度较高 ,检测时间短 ,操作简单等优点 ,在临床医学和环境监测中具有应用价值。

纳米碳管葡萄糖生物传感器的研究

基于纳米碳管的特殊物理结构和电化学特性,利用多壁纳米碳管(MWCN)修饰酶电极葡萄糖生物传感器,分析传感器性能的改变并探索酶和电子中间体在纳米碳管表面的作用机制.在碳糊电极表面纳米碳管修饰能够加快铁氰化钾/亚铁氰化钾的氧化还原速度,提高响应电流水平,但没有发现纳米碳管有直接电子传递作用;同时纳米碳管提高了葡萄糖氧化酶(GOD)分子在反应过程中的相对活性.经纳米碳管修饰后,葡萄糖生物传感器表现出良好的线性和分辨率,检测灵敏度、检测范围、检测速度有所提高;尤其在人体血糖浓度范围内,响应电流幅度提高了50%,分辨率提高了两倍.

碳纳米管在生物传感器中的应用

碳纳米管是一种新型的纳米材料 ,将其用于修饰电极 ,可以降低化学物质氧化还原反应的过电位 ,改善生物分子氧化还原可逆性 ,其大比表面积有利于酶的固定化 ,还能促进酶活性中心与电极表面的电子传递。碳纳米管的这些特性对于提高生物检测的灵敏度和稳定性具有重大意义 ,为生物传感器领域开辟了广阔的前景。

声表面波DDT有机氯农药免疫生物传感器的研究

采用自组装DDT抗体固定化技术,研制了以36°-YX LiTaO3为基底的双通道水平剪切声表面波(SH-SAW)DDT免疫生物传感器.在静态注射的测试方法下,研究了该传感器在液相痕量DDT检测中的原理和应用.实验表明,基于双通道声表面波检测技术的DDT免疫生物传感器具有灵敏度高和重复性好的优点,传感器的检测下限为<1.57×10-9μg/L;在6×10-9μg/L^29×10-9μg/L检测范围内,传感器输出频率的变化与DDT的浓度成较好的线性关系.

β-羟丁酸电化学生物传感器的研究

研制了一个可用于对人体内血清β-羟丁酸进行定量检测的电化学生物传感器.将β-羟丁酸脱氢酶(HBDH)、辅酶烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)等固定于丝网印刷碳电极上,以铁氰化钾为电子传递剂,采用电流法对β-羟丁酸的浓度进行测定.并对铁氰化钾浓度、NAD浓度、溶液pH值及温度等影响因素进行了优化.实验结果表明,用该传感器测定血清β-羟丁酸的浓度,快速准确、重复性好,而且线性范围可达到30～550mg/L、用血量只需2μL.

受体与离子通道生物传感器评述

受体与离子通道是存在于细胞膜的天然生物传感单元。在对受体与离子通道生物传感器研究所具有的优势,以及开发该类传感器所面临的具体困难详细论述的基础上,重点对本领域最新研究的纳米孔支撑的双层类脂膜体系、受体与离子通道耦联的电活性细胞受体,以及基于细胞传感器的受体与离子通道研究等新型生物医学传感技术手段与方法进行了系统介绍。对受体与离子通道生物传感器的应用前景进行了展望。

心肌细胞传感器及其在生物医学中的应用

传统心肌细胞电生理的研究,因其对细胞的穿刺损害作用,难以实现长时程测量,同时也难以实现对细胞群体的多位点同时测量。该研究采用微机械加工技术开展了基于细胞传感器(cell-based biosensor)的微电极阵列(microelectrodearray,MEA)和光寻址电位传感器(light addressable potentiometric sensor,LAPS)等生物传感器技术,在传感器芯片表面培养了心肌细胞,并对其电生理特性进行了传感测量。该技术可对多个细胞同时进行长期、无损检测,在药物筛选、环境检测等生物医学领域具有良好的应用前景。

基于纳米二氧化硅掺杂的丝网印刷碳糊电极葡萄糖生物传感器

研究了在丝网印刷碳糊电极上制作并改进生物敏感膜的过程,完成了基于纳米二氧化硅掺杂的用于测量人体血浆中葡萄糖浓度的生物传感器的制作.从酶促动力学原理分析了电极和生物敏感膜在各种实验参数优化前后的特性.实验证明:优化后的传感器灵敏度提高了2.6倍,检测范围为1.1～33.3mmol/L,对测试范围内不同浓度的葡萄糖样本,相对标准偏差均<5(,且稳定性良好,有较高的研究价值和应用前景.

多功能细胞传感器集成芯片的设计及实验研究

为了实现对细胞的生长凋亡等状态和电兴奋细胞的胞外电场及胞外离子代谢的同步检测,本研究提出了将具有对应功能的叉指电极(IDE)、微电极阵列(MEA)、光寻址电位传感器(LAPS)集成在单片硅基底上,设计了细胞多功能检测的集成芯片。在集成芯片的设计上,各功能模块采用多通道布局,并且优化了电极尺寸、电极间排布、电极表面特性处理等方面的设计,以减少电极之间干扰并提高性能。在加工方面利用SiO2层同时作为MEA、IDE的绝缘层和LAPS的保护层,采用微加工技术将三种传感器融合加工于同一硅基底上。器件的评估结果显示,3种传感器的性能和相应的单独设计芯片性能相近,且满足生物相容性的要求。本集成芯片成功弥补了传统细胞传感器检测参数单一的缺陷,建立了细胞多生理参数检测的细胞传感器平台。

基于表面等离子共振的生物传感器的历史、现状与前景

表面等离子共振（ＳｕｒｆａｃｅＰｌａｓｍｏｎＲｅｓｏｎａｎｃｅ，ＳＰＲ）型生物传感器近来引起广泛重视，本文叙述了ＳＰＲ的发展历史以及ＳＰＲ的传感机理，并介绍了制作ＳＰＲ传感器的关键技术，这些技术也是推动ＳＰＲ传感器发展的关键因素。文中还介绍了目前ＳＰＲ传感器的常用结构及一些成熟的仪器系统，比较了ＳＰＲ传感器与其它生化分析系统的理论以及实践中的优劣，分析了ＳＰＲ传感器的新动态与发展趋势，并对其商用前景寄予厚望。

基于扩散动力学的电化学生物传感器的设计

为解决电化学生物传感器在液流式小样品检测时,由于微反应器腔体通道高度对电极双电层及扩散动力学的影响,造成测量不稳定的问题,提出一种新的电化学生物传感器.以小样品通道流体动力学及扩散动力学的分析为基础,推导静止液体非稳态扩散过程平面电极扩散层最小厚度,以此为依据设计制作2种不同腔体高度的葡萄糖氧化酶电极微反应器,与开放式无腔的葡萄糖氧化酶电极微反应器一起进行对比试验,实验结果证明,只有当腔体高度大于静止液体非稳态扩散过程平面电极扩散层最小厚度时,扩散作用在非稳态过程中不被外界干扰,酶促反应才能正常进行.

双通道SH—APM生物传感器对尿浓度检测的研究

以双通道声板波器件（ｓｈａｒ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｐｌａｔｅｍｏｄｅ，ＳＨ－ＡＰＭ）作为换能器对生物量进行测量的方法，解决了生物传感 器中普遍存在由于电极与生物易感物质直接接触而造成的不良后果，同时克服了常用单通道声板波传感器进行生物量测试的缺点。系统将该器件与生物易感物质（尿酶）结合组成的生物传感系统对尿的浓度进行测试。声板波器件的中心频率为４９．６６ＭＨz。

心肌细胞电位传感器在海洋生物毒素检测中的研究

目前海洋毒素对人类健康的威胁越加严重,尤其是麻痹性毒素。提出了一种基于细胞电位传感器检测贝类的生物毒性的新方法,采用心肌细胞与微电子加工技术的微阵列芯片(MEA)相结合,构建了新型的心肌细胞电位传感器。通过心肌细胞与MEA芯片的紧密耦合,实现了实时监测心肌细胞电位的变化,输出稳定和一致性好的胞外场电位信号。通过检测海洋中危害较大的石房蛤麻痹性毒素(STX),分析细胞的信号特征参数,实验结果表明,STX毒素对心肌细胞的电生理活动有明显的抑制作用,对脉冲幅值和脉冲频率有明显的浓度依赖性抑制作用。常规标准的生物毒性检测方法小鼠生物法的检出限为40 g/100 g,而心肌细胞电位传感器可检测的下限为1.004 ng/m L,检测范围为25 nmol/L^1 600 nmol/L,通过对比表明该方法具有较好的检出限且检测方法相对简单,易于规范化和标准化。通过进一步的完善,该方法在海洋毒素的快速检测应用方面具有良好的发展前景。

声波道生物传感器

生物传感器这一新兴学科对生化、临床医学、生物医学工程都产生巨大的影响,声波道生物传感器作为其中一个重要组成部分,具有许多优点。本文综述了声波道生物传感器的工作方式、结构特点及其灵敏度,并提出表面激发波传感器是将来的重要发展方向。

水环境痕量重金属检测的电化学传感器的研究

重金属是一种危险的污染物,往往长期积累在生物体内不可降解,在极其微量的情况下也会对各种生态系统产生不同程度的危害。文中采用汞膜玻碳圆盘电极,研制了一种用于监测水环境痕量重金属浓度的电化学传感器,基于差分脉冲阳极溶出伏安法(differential pulse anode stripping voltammetry,DPASV),实现了锌、镉、铅和铜4种元素的同时测定。结果表明:该传感器用于检测锌、镉、铅和铜的检出限分别为2.0μg/L、1.9μg/L、0.8μg/L和0.7μg/L.与其他重金属检测方法相比,该电化学传感器的特点是可同时快速检测多种重金属元素,传感器体积小,价格低,操作简单,灵敏度高,易于实现现场自动检测分析。

基于多传感器的无创血压测量系统的研究

针对无创血压测量过程中易受手臂运动干扰影响测量准确度,设计研究了一种无创血压测量中抗运动干扰系统。该系统在常规的无创血压测量基础上,通过集成MEMS加速度传感器,实时采集血压测量过程中手臂运动的加速度信号,并将该信号作为自适应滤波器的参考信号来抵消原始信号中的运动干扰。实验结果表明该系统对测量过程中手臂局部运动的血压检测具有较好的抗运动干扰作用。该方法可用于其他已经存在的可穿戴的动态血压监测系统当中,提高其抗干扰能力,并对其他人体生理参数的穿戴式检测技术具有重要意义。

大范围高灵敏度纳米尺度氨气传感器的制备

介绍了基于碳纳米管与聚苯胺纳米纤维的两种氨气传感器的制备与测试,综合运用两种传感器,兼顾了高灵敏度和大范围测量两项互相制约的要求。使用近场电纺技术制备单根聚苯胺纳米纤维传感器,对1×10-6氨气灵敏度达到2.7%,比较了聚苯胺纳米纤维结构和薄膜结构的响应特性。纳米纤维的立体结构可提升传感器性能。使用双向电泳技术制备碳纳米管传感器,对浓度大于20×10-6(V/V)的氨气有良好的线性响应。分析了主要功能材料的微结构,阐述了制备技术,比较了响应特性,分析了纤维中气体三维扩散模型,通过计算和测试值,表明响应时间与纤维直径存在反相关性。