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新型碳纳米材料在电化学免疫传感器的应用分析

2016-8-6 13:06| 发布者: wangziyi| 查看: 361| 评论: 0|原作者: zhangni|来自: [db:来源]

摘要: 生物传感器(Biosensor)是最近十几年发展起来的分析检测方法,它是一门由生物、化学、物理、电子技术等多种学科互相渗透成长起来的高新技术,将生物感应元件的专一性与一个能够产生和待测物浓度成比例的信号传导器结 ...

  生物传感器(Biosensor)是最近十几年发展起来的分析检测方法,它是一门由生物、化学、物理、电子技术等多种学科互相渗透成长起来的高新技术,将生物感应元件的专一性与一个能够产生和待测物浓度成比例的信号传导器结合[1]。电化学免疫传感器是近几年发展最快的生物传感器之一,以抗原/抗体为特异性分子识别元件,且与电化学传感元件直接接触,并通过传感元件把某种或者某类化学物质浓度信号转变为相应的电信号的传感器。较其它电化学生物传感器相比,有更高的专一性和选择性。同时由于它偶联各种电分析技术,如溶出伏安法、脉冲伏安法、脉冲差分法等,大大提高了灵敏度,在短短几十年里,相继开辟了种类繁多的研究和应用领域,目前正朝着更加灵敏、特效、微型和适用的方向发展[2]。

  免疫反应涉及抗原与抗体分子间的立体化学、范德华力、氢键和偶极间的综合作用[3],因而具有传统仪器分析技术无可比拟的选择性和灵敏度,适用于各种基质中痕量成分的分析,如从复杂的病毒、微生物、生物毒素到简单的有机环境污染物、农药分子等[4]。

  然而,基于临床诊断、环境保护、食品和医药等领域发展的实际需求,电化学免疫传感器需要更高的灵敏度和更低的检测限。纳米材料自从被发现以来,因其很好的表面效应和体积效应,一直受到人们的关注。近十几年来,各种纳米材料广泛应用到电极表面的修饰和信号放大标记物的制备。碳基纳米材料凭借其良好的导电性、化学稳定性、生物相容性和丰富的形貌等特点,在修饰免疫传感器上得到了广泛的关注[5]。

  本文对新型碳纳米材料在电化学免疫传感器上的应用做一综述,并对其在该领域的发展进行了展望。

  1 新型碳纳米材料在电化学免疫传感器上的应用

  1.1 碳纳米管(CNTs) 1991 年,SIijima[6]用高分辨透射电镜发现了碳纳米管(carbon nanotube,CNTs),独特的一维管状分子结构使得 CNTs 的研究达到了蓬勃发展的阶段,同时也使其在电化学免疫传感器的构建上得到了十分广泛的应用[7]。碳纳米管不仅具有小尺寸效应、表面效应和量子尺寸效应等纳米粒子的基本性质,还具有良好的导电性、生物相容性和较大的表面积等优点[8],所以它不仅是优秀的电极基底材料,还是制备标记物的良好材料。 最简单的修饰方法是把 CNTs 直接涂在电极表面。但是 CNTs极易团聚,必须将 CNTs 置于一定的溶剂中超声分散至相对稳定的胶状悬浮液。陈向强[9]通过非共价相容作用提高多壁碳纳米管(MWCNT)的水溶性,采用不同分散剂如水、SDS、β-CD、PEI 等来制备 MWCNT 悬浊液,探究出 PEI 对于 CNTs 是良好的分散剂,既达到良好的分散效果,又保持了 CNTs 的良好的导电性。但是,大部分有机溶剂对生物分子的生物相容性较差,不利于电化学免疫传感器的稳定性。最近研究指出,天然大分子作为 CNTs 分散剂有利于增强 CNTs 修饰莫的生物相容性,延长免疫传感器的寿命。比如,壳聚糖分子具有大量的氨基和羟基,将壳聚糖与 CNTs制备成的复合材料有利于提高 CNTs 的生物相容性和水溶性,并且为后续固定抗原/抗体提供了丰富的氨基。闵丽根等[10]采用纳米金、多壁碳纳米管-纳米铂-壳聚糖的纳米复合物(MWNT-Pt-CS)制得高灵敏癌胚抗原免疫传感器,其峰电流值与癌胚抗原浓度在0.5~10 和 10~120 ng/mL 的范围内保持良好的线性关系,检测限为0.2 ng/mL。此外,聚多巴胺(PDOP)也是一种生物相容性良好的天然大分子。多巴胺在弱碱性条件下就能自发聚合成聚多巴胺[11],把 CNTs 分散到多巴胺的碱性水溶液中,再在电极上自聚得到的PDOP-CNTs 膜,这种膜具有良好的生物活性,并且可以直接固定抗原/抗体,使免疫传感器的制备更为简单。

  在构建电化学免疫传感器过程中,CNTs 不但广泛应用于修饰电极,还用于制备新型的抗体标记物。因此,对碳纳米管进行功能化修饰在免疫传感器的应用具有重要意义。CNTs 的氧化处理是最常见的 CNTs 功能化方法。氧化处理后的 CNTs 具有大量的羧基,有利于提高 CNTs 的水溶性和提供适合抗原抗体反应的微环境。Wan 等[12]通过使用 H2SO4和 HNO3的混合物(体积比为3∶1)氧化 CNTs,得到了具有丰富羧基的 CNTs,并利用所得的羧基进一步通过 EDC/NHS 法制备得到简单的多酶标记的抗体标记物,应用于检测肿瘤生物标记物的电化学免疫传感器,所得的信号比单标记抗体的信号放大 10 倍。Liu 等[13]也利用氧化功能化后的 CNTs 作载体,制备出的多酶标记抗体 MWCNTs-HRP-Ab,成功制备舒喘宁的电化学免疫传感器,其检测限达到 0.06 ng/mL。 虽然直接使用 CNTs 在修饰电化学免疫传感器上得到较好的放大效果,但是同时也使酶的活性位点离电极表面较远,不适合进行直接电化学。因此,负载各种电活性物质到 CNTs,以提高其电化学活性,如普鲁士蓝,硫堇、天青等[14]。Yang 等[15]把普鲁士蓝(PB)和金纳米颗粒负载到 CNTs 上,制备成新型的多酶标记抗体(HRP-Ab2-CNPs-PB-CNTs),成功制备人体绒毛膜促性腺激素的免疫传感器。大量 HRP 和 PB 固定在标记物上,为过氧化氢的催化提供了更多的电子通道,提高了催化效果,进而增强了免疫传感器的灵敏度。此外,还可制备双酶结合的标记物的方法进行信号放大[16],Jeong等[17]利用CNTs同时负载葡萄糖氧化酶(GOx)和 HRP,制备出双酶标记抗体复合物(Ab2/MWCNT/GOx/HRP),实现了对癌胚抗原的有效检测,检测限低达 4.4±0.1 pg/mL。

  1.2 碳纳米球(CNSs)

  碳纳米球(carbon nanosphere,CNSs)具有规则的几何外形、较高的比表面和良好的生物相溶性等优点[5],也被广泛应用于免疫传感器的信号放大,制备新型的多酶标记物。Du 等[18]采用水热法制备了大小均一的 CNSs,通过 EDC/NHS 共价键合 HRP 和 Ab2作为标记物,并结合石墨烯基底,有效地构建了检测肿瘤标志物的免疫传感器。然而,与碳纳米管相比,水热法制备得到的 CNSs的导电性较差,因此对水热 CNSs 的功能化修饰极为重要。Xu 等[19]通过自组装的方法将导电性良好的 AuNPs 均匀地组装在水热CNSs 的表面并利用 AuNPs 对抗体的吸附作用来固定抗体和HRP,形成一种新型的多酶标记物,用于人免疫球蛋白 G 的检测。Lin 等[20]将 CNSs 在 900 ℃下用水热发使其进一步碳化,增强其导电性,然后通过 EDC/NHS 偶联抗体和 HRP,制备成高度碳化碳纳米球酶标复合物,并通过电化学免疫检测苯并芘。

  1.3 石墨烯

  2004 年,英国曼彻施特大学 Geim 博士等观测到了单层石墨晶体及石墨烯(Graphene)[21],引起了对石墨烯的热潮。石墨烯具备碳纳米管的一系列优良性质,具有场效应、超高比表面、高强度等[22, 23],备受各界关注。在构建免疫传感器过程中,一般用石墨烯来修饰电极的基底。贾翠娟等[24]利用壳聚糖修饰石墨烯,丰富了石墨烯的表面基团,制备出以石墨烯/壳聚糖/碳纳米管复合膜为基底的新型甲胎蛋白(AFP)传感器。Wei 等[25]将铂纳米颗粒和硫瑾修饰到石墨烯上,增强了石墨烯的导电性和电化学活性,并用其修饰检测卡那霉素的免疫传感器的基底,提高了传感器的灵敏度,检测限低至 5.74 pg/mL。为了综合氧化石墨烯官能团丰富和还原石墨烯导电性良好的优点,Sharma 等[26]首先将氧化石墨烯涂在电极表面,然后通过电化学部分还原,使电极附近的石墨烯被还原成还原石墨烯,而最外层的保持氧化石墨烯的状态,以此作为新型的电极基底来构建检测农药敌草隆的免疫传感器,其检测限低达 0.01 pg/mL,可满足实际上的检测要求。 虽然石墨烯外形较大,难以制备均一分散的多酶标记物,但是其具有一系列的优点,还是吸引了许多关注与尝试。张培[21]采用原位沉积的方法,设计了一种树状铂纳米簇修饰的石墨烯,将其用作免疫信号放大的示踪标记物,树状铂纳米簇的发散效果使固定在标记物上面的抗体能更好地和抗原结合。可见,对石墨烯的修饰应成为该领域深入探讨的重要问题。

  1.4 碳纳米角(CNHs)

  碳纳米角(carbon nanohorns, CNHs)是一种“大丽花”状的球形聚集体,由数千个石墨微管组成,这些石墨微管的形状就像截断后的碳纳米管,微管末端是封闭的锥状角,整个碳纳米角的直径为 80~120 nm。由于这种纳米材料是由数千个石墨微管叠加组成的,所以它有很大的比表面积和内部空间,而且具有石墨优异的导电性。碳纳米管的制备要用重金属离子做催化剂,不可避免地会有一点残留,对生物体有一定的毒害作用;而碳纳米角是用激光灼烧[27]、电弧放电[28]等方法合成的,不需要重金属离子的参与。因此,跟碳纳米管相比,碳纳米角具有更小的生物毒性,用作免疫传感器时对抗原抗体等生物活性物质的毒害性也较小。同时,碳纳米角锥状角上具有大量的表面缺陷,对碳纳米角进行氧化处理能在其锥状角上产生大量的含氧官能团,有利于固定更多的抗原或抗体。Ju 课题组[29]利用碳纳米角固定小分子抗原,研制了一种新型的微囊藻毒素-LR 电化学免疫传感器。将碳纳米角羧基化后用交联试剂(EDC/NHS)将微囊藻毒素-LR 固定在锥角上,以HRP 标记抗体,采用竞争法测定,得到的免疫传感器对微囊藻毒素-LR 的检测线性范围是 0.05~20 μg/mL,检测限为 0.03 μg/mL。

  1.5 碳纳米纤维

  碳纳米纤维(carbon nanofiber,CNF)早在 19 世纪末就被人们发现,但是在 1991 年碳纳米管作为碳的一种同素异形体被发现后,人们才对它感兴趣[30]。碳纳米纤维具有较大的表面活性基团和单位体积比[31],有较好的电子迁移率,有较好的机械稳定性[32],而且更容易大批量生产,并且具有更低的生产成本。用硝酸对碳纳米纤维进行氧化,可在其表面产生大量的羧基而不会破坏其骨架的完整性。碳纳米纤维有极大的功能化表面和很多的活性基团,采用交联试剂可以将抗原抗体等蛋白质分子和电化学媒介体固定到其表面。Ju 课题组[33]采用水溶性的碳纳米纤维作基底材料研制了检测糖类抗原 125(CA 125)的免疫传感器,由于酸氧化处理后的碳纳米纤维具有较好的浸润性和水溶性,所以其大量的活性位点可以有效地固定抗原 CA 125 和作为电子媒介体的硫堇,固定化后的 CA 125 保持了良好的稳定性和生物活性,采用竞争法检测,线性范围为 2~75 U/mL。

  2 展望

  碳纳米材料修饰的电化学免疫传感器作为一种新型的检测装置,因其操作方便、小巧便携、灵敏度高等优点,在临床诊断、食品安全检测、环境检测等方面得到了广泛的应用和发展,并显示出优秀的前景。但是,碳纳米材料在构建免疫传感器上的发展历史并不长也不完善,还需要投进更多的努力。总的来看,碳纳米材料本身的发展是构建电化学免疫传感器的基础。因此,一方面要促进已应用的碳纳米材料的进一步优化、改性,例如将 CNTs发展成 CNTs 阵列来更好地修饰电极基底、将石墨烯切割成均匀小块的以便制备更优秀的标记物等;另一方面需要发掘和合成新型的碳纳米材料,并尝试把它们应用到构建电化学免疫传感器上,其中各种形貌的介孔碳纳米材料、石墨烯量子点等都具有很好的发展前景.


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