[发明专利]一种聚合物纳米阵列电化学生物传感器

说明书

技术领域：

本发明涉及化学与材料科学以及传感测试技术，特别提供了一种聚合物纳米阵列电化学生物传感器。

背景技术：

关于电化学生物传感器的相关技术状况简介如下：

1、导电聚合物在电化学生物传感器中已经有了较为广泛和深入的应用。1986年，Foulds和Lowe将葡萄糖氧化酶(GOD)包埋在吡咯聚合物中，并以此构建了酶传感器，揭开了导电聚合物构建生物传感器的序幕。随后，许多学者相继将不同的酶、辅酶、抗体、核酸及其衍生物甚至细胞和组织等生物物质固定于不同的导电聚合物中，形成各种新型的生物传感器。导电聚合物生物传感器的主要特点是响应性能强，制作过程简单可控。长期以来有关电化学传感器的研究主要围绕着酶传感器。近年来，利用导电聚合物为基质材料的生物传感器来研究核酸及其衍生物的报道呈上升趋势。虽然电化学生物传感器具有检测速度快的特点，但是灵敏度只在pmol/L的水平上，这还不能满足分子诊断等实际应用的要求。

随着分子生物学技术的快速发展和人类基因组计划的完成，对于核酸分子检测的意义越来越为重要。目前通用的检测方法多依赖于聚合酶链扩增技术(polymerase chain reaction，PCR)。PCR方法比较昂贵而且检测过程长，在扩增过程中还容易引入错配，并且检测灵敏度也有限定。如何进行快速、准确、灵敏、以及环境友好的进行检测一直是基础研究和应用研究关注的课题。

由导电聚合物制备的传感器具有响应快、检出限低、线性范围宽等优点。聚苯胺传感器已经应用于气体监测上。在生物分子的检测上有葡萄糖传感器和尿酸酶传感器等。在现有的导电高分子生物传感器中，导电高分子多以颗粒聚合膜的形式存在。这是一种非定向的纤维状态，影响了导电高分子生物传感器的灵敏度。

导电聚合物电化学生物传感器一般由三部分组成：支持电极(提供机械结构以及传导电信号)，附着在支持电极上的导电聚合膜(用于固定生物传感元件)，和固定在导电聚合膜上的生物传感元件(用于特异性地识别待检测物质并与之发生反应)。导电聚合膜的厚度、形态、孔隙度都直接影响生物传感器的检测性质。

现在有些研究中，在生物传感器上使聚合物以微管阵列的形式存在，因而具有较高比表面积，这样就大大增加了被探测物质(通常只有大约10^-10M或者更低的浓度)与电极之间的接触，因而也具有较高的灵敏度，但是该灵敏度仍旧较低，不能满足实际应用的需要。

2、纳米技术在生物传感器中的应用

针对普通电化学生物传感器存在的选择性差、灵敏度低，稳定性差等缺点，纳米技术以及纳米材料提供了较好的解决办法。各种金属纳米颗粒、纳米线以及纳米管都可用于改善电化学电极的表面特性，提高生物传感器的灵敏度与稳定性。纳米金粒子已经被用于高灵敏的核酸检测中。Mirkin等利用纳米金标记的寡核苷酸显著地改变了杂交核酸双链的解链特性。这种方法与银颗粒的催化增强效应结合后，可以使检测灵敏度高于传统的荧光检测灵敏度的100倍。他们还将该方法派生出结合纳米金颗粒的电子检测方段。Wang等发展了一种基于电活性的微球核酸及其衍生物检测方法。金与铜的合金纳米颗粒也被用于高灵敏度的核酸检测。另外，纳米碳管涂层、阵列、复合材料都已用于核酸检测。纳米碳管作为探针的固定媒介和杂交信号的转换媒介，极大提高了核酸生物传感器的灵敏度。硼掺杂的硅半导体纳米线也用于实时的高灵敏度生物检测方法。由于硅纳米线在生物检测过程中，表面电荷的变化而引起的硅纳米线质子化与去质子化引起的导电率随pH值变化，且在较大的范围内表现出较好的线性关系。

3、聚合物纳米材料在生物传感器中的应用

使用聚合物纳米材料作为生物传感器敏感元件，同样可以极大地增加传感器与被检测物质的接触，提高电极表面积，进而提高生物传感器的灵敏度。这使它在环境监测、细菌探测、糖尿病葡萄糖检测以及各种生物大分子检测中极大地提高了传感器的灵敏度(几个数量级)，为更好地保护环境、早期疑难疾病的高精度检测提供了可能，因此成为聚合物纳米材料研究最多的方面之一。

目前利用导电聚合物纳米材料作为修饰传感电极的传感元件，多是纳米颗粒薄膜或者非定向的聚合物纳米纤维阵列。这种聚合物纳米材料的生物传感器灵敏度远低于纳米金或纳米碳管的生物传感器，不能满足实际检测的需要。

因此，人们期望获得一种技术效果更好的利用导电聚合物纳米材料的电化学生物传感器。

发明内容：