纳米医药第12章-纳米生物医学传感原理与应用

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1、第12章纳米生物医学传感原理与应用12.1引言纳米技术（nanotechnologyornanotechnique）包括纳米材料、纳米器件、纳米结构设计和加工组装、纳米机器以及相应的检测表征技术和方法，因此“纳米”（nano-）不仅仅局限于狭义的空间尺度上的意义，而是一种全新的思维方式和认识方法、研究手段和应用技术。生命过程动态生化信息的获取与解析，是认识生命现象和规律（包括生理、病理、药理等）以及疾病诊断和预后等的基础。由于生命过程研究的特殊性，需要发展能适应生物活体微区、原位、实空分辨、动态、超灵敏（单分子）分析的新原理和

2、新方法。纳米科技的兴起为更好地获取生化信息特别是动态过程生化信息展露出诱人的发展前景。利用纳米粒子尺寸远远小于组成生命体的基本构造单元——细胞的特点，借助纳米粒子标记的生物探针并结合其它示踪技术如荧光标记技术或酶标技术等，可望将研究的“触角”深入小到细胞甚至亚细胞层次，实现原位、实时、高选择性研究单个细胞生命过程的目的，为生命过程研究和重大疾病早期诊断提供适用的新方法。纳米材料和技术应用于生物传感和医学检测与诊断领域，尽管才十来年的历史，但已取得了许多令人鼓舞的成就。随着扫描探针显微镜（ScanningProbeMicrosc

3、ope,SPM），如扫描隧道显微镜（ScanningTunnelingMicroscope,STM）、原子力显微镜（AtomicforceMicroscope,AFM）、扫描近场光学显微镜（Scanningnear-fieldopticmicroscope,SNOM）等一系列高新科技仪器方法的应用，使得采用纳米技术的纳米生物医学传感技术近年来发展非常迅速，人们在纳米尺度甚至单细胞内单分子水平上获取生命过程生物化学信息已成现实。纳米生物医学传感技术已成为纳米科技领域最引人注目的、最有生命力的发展方向之一。12.2生物传感原理与器

4、件12.2.1生物传感原理生物化学传感技术是生物医学领域中主要的分析检测技术之一，是利用生物分子极强的特异性识别的原理进行生物组分（包括核酸、蛋白质、酶、糖类、各种生物活性小分子、甚至细胞、组织等）以及能被生物组分识别的无机物的检测分析的技术。基于生物分子识别原理所设计制作的检测器件即生物传感器，是能选择性、连续可逆感受并传递、处理生物化学信息的系统装置。例如，葡萄糖传感器便是利用葡萄糖氧化酶（GOD）能从含有多种糖分子的混合溶液中，高选择性地识别出其中的葡萄糖分子并将其氧化成葡萄糖酸内酯，其识别反应信息通过换能器转换成可测量

5、的物理信号而进行分析检测。37412.2.2生物传感器基本构成传统的生物传感器一般由感受器（Receptor）、换能器(Transducer)和检测器(Detector)三部分组成。图12-1给出电化学生物传感器的示意图。试样(生物分子识别组分)感受器生化信息换能器(电极)电信号（电流、电势、电导）导）检测器处理结果显示图12-1电化学生物传感器示意图1．感受器，又称敏感器或分子识别元件，其主要功能是进行生物化学分子识别。分子识别（Molecularrecognition）基于分子间的特异相互作用，其作用力主要有氢键、静电、疏

6、水等类型。分子识别过程有时仅借助一种作用力，有时是多种作用力协同作用的综合结果，往往具有很高的选择性，犹如钥匙与锁的匹配关系。具有分子识别功能的生物组分构成感受器的核心或关键部分，通常要求其具有很高的灵敏度和选择性。常见的生物功能组分有生物酶、组织、抗原、抗体、结合蛋白质、植物凝血素、激素受体、微生物和DNA等。表12-1列举了常用的几种生物分子识别物质。表12-1几种常用的生物分子识别物质[1]分子识别元件生物活性材料酶膜全细胞膜组织膜细胞器膜免疫功能膜DNA探针各种酶类细菌，真菌，动植物细胞动植物组织切片线粒体，叶绿体抗体

7、，抗原，酶标抗原等特定基因或其部分序列2．换能器的主要功能是将感受器感受到的生物化学信息转换成易检测的物理化学信号，如光、电、磁、热和浓度等。表12-2列举了一些生物化学信息所需对应选择的换能器的种类。值得一提的是纳米技术给生物传感器分子识别信息的高效转换检测开辟了新的发展空间。许多基于纳米放大技术的生物传感器已见报道[2-8]，相关内容随后将作进一步的介绍。374表12-2生物化学信息和换能器的选择[1]生化信息换能器的选择离子活度变化质子活度变化气体分压变化热效应光效应色效应质量变化电荷密度变化溶液密度变化离子选择性电极，

8、阻抗计离子选择性电极，场效应晶体管气敏电极，场效应晶体管热敏元件光纤、光敏管、荧光计光纤、光敏管压电元件阻抗针、导纳、场效应晶体管表面等离子共振3．检测器，将得到的物理化学信号进行检测、记录处理和显示结果。总之，生物传感器就是利用生物功能组分与被测物特异性结合所给出的生物化学