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传感器进入低维有机材料发展时代

  日前,中国科学院化学研究所光化学院重点实验室赵永生课题组利用高比表面积的一维纳米材料,制备出一种更加灵敏的电化学发光纳米生物传感器。有机低维纳米材料由于其独特的结构和新颖的物理、化学性质,在生物传感领域中展现出广阔的应用前景。

  生物传感器是用固定化的生物体成分,如酶、抗原、抗体、激素等,或者是生物体本身的细胞、细胞器、组织等作为传感元件制成的传感器。

  检测性能得到提升

  从细菌到人,所有生物都在使用生物分子开关来监测环境。此类开关,即由RNA或蛋白制成、可改变形状的分子。这些分子开关的诱人之处在于:它们很小,足以在细胞内办公,而且非常有针对性,足以应付非常复杂的环境。受到这些天然开关的启发,纳米生物传感器应运而生。

  2012年,中科院上海应用物理研究所、苏州纳米技术与纳米仿生研究所、复旦大学中山医院、上海计量测试技术研究院合作开发了一种基于DNA纳米结构修饰界面的电化学生物传感器,用于microRNA肿瘤靶标的超灵敏检测。

  与传统的PCR等均相检测方法相比,基于表面反应的电化学生物传感器对疾病相关的microRNAs检测具有更加廉价、更容易实现现场检测的优点。然而,电化学生物传感器的灵敏度常常受到界面传质过程和拥挤效应的限制。为了解决这些问题,樊春海研究员及其团队之前已发展了利用三维DNA纳米结构修饰金电极表面的新方法,可以显著增强表面分子的结合能力和提高检测灵敏度。

  2012年,美国普渡大学等机构的研究人员制成了新型生物传感器,能够以非侵入的方式进行糖尿病测试,探测出人体唾液和眼泪中极低的葡萄糖浓度。这项技术无需过于繁复的生产步骤,从而可降低传感器的制造成本,并可能帮助消除或降低利用针刺进行糖尿病测试的几率。

  新型生物传感器包括3个主要部分:石墨烯制成的纳米片层、铂纳米粒子和葡萄糖氧化酶。其中的纳米片仿若微小的玫瑰花瓣,每片花瓣均包含着多个堆叠的石墨烯层。花瓣的边缘也悬挂着不完整的化学键,使铂纳米粒子可以附着在这里。纳米片和铂纳米粒子相结合能够形成电极,随后葡萄糖氧化酶也可附着在铂纳米粒子上。酶能将葡萄糖转化为过氧化物,并且在电极上产生一个信号。

  低维有机材料划时代发展

  业内人士分许指出,纳米材料应用于电化学生物传感器领域后,不仅提高了传感器的检测性能,而且提升了传感器的化学和物理性质以及它对生物分子或细胞的检测灵敏度,检测时间也得以缩短,与此同时还实现了高通量的实时分析检测。该项研究也为低维纳米材料制备生物传感器提供了重要的理论和实验依据。

  传感器为推动机器人产业快速有序发展立下了汗马功劳。传感器是用来检测机器人自身的工作状态,以及机器人智能探测外部工作环境和对象状态的核心部件。能感受规定的被测量,并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。

  纳米材料具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应等,使得其表现出奇异的化学、物理性质。此前,研究人员就曾用琼脂糖将葡萄糖氧化酶和连接了二茂铁的单壁碳纳米管固定在玻碳电极表面,实现了对葡萄糖的快速灵敏检测。碳纳米管的引入还能够显著提高电化学敏感膜中电活性物质的氧化还原可逆性,同时消除了溶解氧对测定的干扰。

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