[发明专利]外场诱导电极中排列纳米颗粒制备生物传感器的方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米器件和生物传感器领域，涉及高灵敏地定量样品中所含基质的生物传感器。

背景技术

随着生命科学的发展进入分子水平，科学家预言21世纪将是生命科学的世纪，是检验医学即从分子水平对疾病进行诊断和治疗的世纪。这对临床生物化学检验提出了准确、快速、简便、标本微量化、方法标准化、且经济实用的要求。生物传感器横跨了生物、化学、物理、信息等领域，是发展生物技术必不可少的一种先进的检测方法和监控方法，也是物质分子水平的快速、微量分析方法。生物传感器一般由两部分组成：其一是分子识别元件(敏感元件)，由具有分子识别能力的生物活性物质构成；二是信号转换器(换能器)，主要是电化学或光学检测元件。具体而言，生物传感器利用生物物质作为识别元件，将被测物的浓度与可测量的电信号关联起来，并将生物体功能材料(酶、底物、抗原、抗体、动物细胞、微生物组织等)固定化处理，当待测物质(酶、辅酶、抗原、抗体、底物、维生素、抗菌素等)与分子识别感受器(即接收器)相互作用时，发生物理变化或化学变化，换能器将此信号转变为电信号或光信号，从而检测出待测物质。

近年来，随着纳米技术的发展，利用纳米颗粒的比表面积大、表面反应活性高、表面活性中心多、催化效率高、吸附能力强等特性，把纳米颗粒引入到传感器研究中，集纳米技术、生物技术和自组装方法于一体，制备固定有能选择性结合靶分子的生物探针的生物传感器，可大幅度提高传感器的检测性能(包括电响应的增强，电响应达到稳态的时间的缩短，检测的线性范围的增大等)。

CN1385439中描述了氨基化硅壳类纳米颗粒材料在核酸富集及传感中的应用。包括在氨基化硅壳类纳米颗粒材料的二氧化硅网状分子壳层内充实特殊生化、声、光、电、热、磁等性质的内核材料；利用纳米颗粒在中性环境里的正值动电位从生物样品中分离、富集、提取、转载核酸；使其表面的氨基直接或通过有机分子间接与生物大分子发生反应，使颗粒表面及生物大分子彼此进行修饰；利用经修饰的纳米颗粒作为传感器，对单细胞的物化指数进行测量。

O.D.Velev和E.W.Kaler在Langmuir，1998，15，3693-3698中描述了一种基于乳胶微球制备的生物传感器，可用于高灵敏检测蛋白、DNA序列或其它生物分子。具体而言，采用接触式电场于微电极中组装乳胶微球，其表面的免疫活性位点(蛋白A)可连接目标分子(IgG分子)，通过二次标定金纳米颗粒及银增强方法，即可观察到电导性质的变化。激发响应的IgG分子浓度低至10^-18～10^-19M。

C.Y.Tsai等在Jap.J.Appl.Phys.2005，44，5711-5716中描述了一种基于金电极间金纳米颗粒多层膜的检测蛋白的生物传感器。具体而言，在第一层金纳米颗粒表面修饰单克隆抗体，特异结合目标抗原后可吸附第二层修饰有多克隆抗体的金纳米颗粒。形成的这种金纳米颗粒多层膜会产生一个明显的电流响应，即通过单层和多层膜导致的IV曲线的差异来判断目标抗体的存在。结果表明对HCV抗原的检测限可达100ng/μL。

US7301199描述了以纳米线为基础的生物传感器。所用纳米线可在不同区域以不同程度被选择性掺杂，例如半导体纳米线。此类传感器的基本原理与传统的场效应管类似，即电导随表面电场或电压的变化而变化。通过被检测的物质与纳米线的表面相互作用，导致整个纳米结构直径范围体积内载流子的耗损或积聚，从而有可能把灵敏度提高导探测单个分子的水平。

US6958216描述了一种基于碳纳米管的生物传感器。其基本原理是在碳纳米管上化学修饰具有电子传导特性的核酸分子如DNA和RNA，通过与目标分子结合后导致的电学性质的变化实现检测的目的。

US6914279描述了基于氧化锌纳米材料的生物传感器。氧化锌纳米锥可固定DNA或蛋白分子。氧化锌纳米锥阵列可作为电导型传感器、场效应管型传感器，与声表面波传感器(或体声波传感)结合可得到高灵敏、多通道的新型声表面波生物传感器(或体声波生物传感)。

尽管使用上述生物传感器得到的结果是鼓舞人心的，但其复杂的工艺仍需要改进，传感器的检测限也有待提高。将外场诱导纳米颗粒排列的方法引入到生物传感器的制备中，有望实现工艺的简化。在外场作用下，纳米颗粒会在电极对中沿着电场或磁场梯度最大的方向上有序排列为链状结构，连接对应电极对，形成该方向上的电路导通。通过结合敏感分子，这类纳米颗粒链对外界环境的变化会显示出高的灵敏度，其电学特性可随敏感分子结合的分析物的浓度变化发生灵敏的响应。