功能性纳米材料在电化学免疫传感器中的应用_王广凤

檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵殝殝殝殝评述与进展DOI :10．3724/SP．J．1096．2013．20611功能性纳米材料在电化学免疫传感器中的应用王广凤朱艳红陈玲王伦*（安徽师范大学化学与材料科学学院，芜湖241000）摘要新型功能性纳米材料以其诸多优良性质在构建电化学免疫传感器中备受关注，为电化学免疫传感器的开发和研究开辟了一片广阔天地。

纳米材料在电化学免疫传感器方面的应用主要是将纳米材料作为传感器界面的修饰材料、生物分子的固载基质以及信号标记物等。

本文就常见的功能性纳米材料在电化学免疫传感器中的应用做一综述。

关键词功能性纳米材料；电化学免疫传感器；综述2012-06-14收稿；2012-11-04接受本文系国家自然科学基金项目（Nos．20901003，21073001，21005001）资助*E-mail ：wanglun@mail．ahnu．edu．cn1引言纳米技术是一门在1 100nm 空间尺度内操纵原子和分子，对材料进行加工、制造具有特定功能的产品，或对某物质进行研究，掌握其原子和分子的运动规律和特性的崭新高技术学科，它的发展开辟了人类认识世界的新层次［1］。

纳米材料是指三维空间尺寸至少有一维处于纳米级（通常为1 100nm ）的材料。

纳米材料具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应，表现出一系列独特的力学、电学、光学、磁学以及催化性能，拥有“21世纪最有前途的材料”的美誉［2，3］。

纳米技术的兴起为生物电分析化学的发展提供了更为广阔的空间，而生物传感器也成为纳米材料最有前途的应用领域之一［4］。

新型功能性纳米材料，由于其特殊的结构层次、较强的吸附能力、良好的定向性能、生物相容性以及结构相容性（酶、抗原、抗体以及生物分子受体具有和纳米材料相似的尺寸约2 20nm ），从而可以提高生物分子（如酶、DNA 等）的固载量、标记生物分子、催化反应、加快电子传递及增大电流信号，为生物电化学传感器的研究和应用提供新途径。

目前，比较成熟的生物电化学传感器技术有：酶传感器、免疫传感器、DNA 传感器等。

电化学免疫传感器是将免疫技术与电化学传感相结合的一种免疫传感器，它既具有电化学传感器的高灵敏度和简便经济等特点，又具有免疫分析的高选择性、强专一性和低检出限等优点［5］。

近年来，电化学免疫传感器已成为电分析化学在生命科学研究领域中的前沿和热门，在临床检测、环境检测、食品分析等方面得到了广泛应用［6，7］。

为了研制高灵敏度、高选择性、低成本和长寿命的电化学免疫传感器，免疫生物敏感膜界面的构建一直是免疫传感器研究的关键技术之一。

纳米材料在电化学免疫传感器方面的应用主要是将纳米材料作为传感器界面的修饰材料、生物分子的固载基质以及信号标记物等。

纳米材料作为基底固载生物分子可以增大固载量、提高反应活性；同时，纳米材料标记的抗体（抗原），可保留其生物活性和对应的组分作用，并根据这些纳米材料的电化学检测确定分析物的浓度，使用纳米材料的放大标记物可以大大增加信号，制备超灵敏的电化学免疫传感器。

本文主要介绍几种常见的纳米材料如碳材料、金银纳米以及半导体纳米材料在电化学免疫传感器中的研究进展，并展望其应用前景。

第41卷2013年4月分析化学（FENXI HUAXUE ）评述与进展Chinese Journal of Analytical Chemistry第4期608 6152功能性纳米材料在电化学免疫传感器中的应用2．1碳基纳米材料2．1．1碳纳米管自从纳米碳管（CNT ）被发现以来，其特有的力学、电学和化学性质，以及独特的准一维管状分子结构引起了物理、化学、材料科学和纳米科技领域学者的极大兴趣［8 12］。

碳纳米管以其大比表面、良好的机械性质以及快速的电子传递能力被广泛应用于电分析化学研究领域［13 16］。

碳纳米管用于电化学免疫传感器检测分析物主要有两方面：碳纳米管场效应晶体管或在夹心免疫分析中检测电活性标记物。

一种是碳纳米管场效应晶体管用于免疫传感器［［17，18］，这种方法遇到的主要困难是为了对晶体管有响应，免疫反应须发生在碳纳米管的附近；另一种是利用碳纳米管作为基底或者标记物制备夹心型免疫传感器［19 37］。

Rusling 研究组利用碳纳米管森林制备了多种电化学免疫传感器［19 30］。

他们在研究中发现碳纳米管森林与辣根过氧化物酶连接修饰电极时，电子在辣根过氧化物酶与碳纳米管森林之间传递效果很好。

因此，他们进一步将碳纳米管森林用于夹心型免疫分析［27］：首先通过碳纳米管大的比表面积和高的表面能将一抗固载在电极表面，再通过夹心反应在电极表面捕获碳纳米管负载的酶标记的二抗，底物中加入H 2O 2。

由于HRP 和碳纳米管的协同催化作用，该免疫传感器电化学响应信号大大增强。

以前列腺癌标记物（PSA ）为分析对象，检出限达4ng /L （100amol /mL ），对10μL 未稀释的牛血清，检出限达到40fg /mL （如图1所示）。

图1利用碳纳米管森林制备电化学免疫传感器［27］Fig．1Preparation of electrochemical immunosensor based on carbon nanotube （CNT ）forest ［27］Wang 等［31］将碳纳米管作为载体，通过共价键合作用负载大量的酶分子，（长约1μm 的CNT 约负载9600个酶分子），制备了碳纳米管作为标记物在电化学免疫传感器（图2），检出限为500fg /mL （25μL 样品中160zmol ）。

与普通的酶标记物电化学免疫传感器比较，该传感器的电化学信号提高了100倍。

图2利用碳纳米管制备电化学免疫传感器［31］Fig．2Preparation of electrochemical immunosensorbased on CNT ［31］此外，Viswanathan 等［32］开发出一种基于聚亚胺包裹碳纳米管的印记电极用于检测癌胚抗原，用对二茂铁标记的抗CEA 包裹的脂质体进行检测，检出限低至1ng /L 。

Lin 等［33］将抗甲胎蛋白（AFP ）抗体沉积在金纳米/碳纳米管/壳聚糖上，用碱性磷酸酶标记二抗，制备夹心型电流免疫传感器，检出限低至0．6ng /L ，优于其它AFP 传感器。

Park 等［35］报道了碳纳米管免疫传感器用于检测2，4，6-三硝基甲苯（TNT ）。

利用置换模式，单壁碳管网络传导通道先修饰三硝基苯（TNP ），然后连接抗-三硝基苯抗体。

当与TNT 或其衍生物作用，发生置换导致阻抗或者电导发生变化进而可以测定TNT ，检测范围为0．5 5000μg /L TNT ，该免疫传感器利用置换反应前后906第4期王广凤等：功能性纳米材料在电化学免疫传感器中的应用变化获取信号，较为新颖，且方法的线性范围较宽。

Liu 等［36］还用多壁碳管-抗体复合层沉积在印记电极上测定猪尿的瘦肉精浓度，检出限达到0．1μg /L 。

Serafin 等［37］将碳纳米管复合物用于固定生物分子，利用竞争免疫分析法检测睾丸激素，检测范围为0．1 10μg /L 。

2．1．2石墨烯及石墨烯氧化物石墨烯的独特物理化学性质，尤其是单片性、高传导性、大比表面积、抗毒性及良好的电子传度动力学等，使其广泛应用于电化学传感和生物传感［38］。

石墨烯上存在高密度的棱面类缺陷位点，展现了尤为引人瞩目的良好电化学性质。

将其修饰到玻碳电极表面，可成功实现DNA 的4种碱基对的同时检测，以及H 2O 2、NADH 、多巴胺、抗坏血酸、尿酸、醋氨酚等的分析测定。

石墨烯对多种无机、有机电活性物质的电分析应用，进一步说明了它在电分析领域是一个非常有前景的新型碳基底候选材料［39］。

近年来，将石墨烯用于电化学免疫传感器的研究成为热点［40 66］。

Zhong 等［40］利用纳米金与蛋白质的氨基作用，将纳米金包裹的石墨烯纳米复合物与HRP-抗-CEA 相结合，制备的生物纳米标记物作为二抗，普鲁士蓝/纳米金复合物作为固定一抗的免疫平台，制备了夹心型免疫传感器，用于检测癌胚抗原CEA ，检测范围为0．05-350μg /L ，检出限达到0．01μg /L 。

Huang等［41］用金掺杂的石墨烯纳米复合物制备了超灵敏的电化学免疫传感器用于沙丁胺醇（SAL ），线性范围为0．08 1000μg /L ，完成了实样猪饲料中SAL 的分析。

Yang 等［42］用石墨烯固定媒介体硫堇、辣根过氧化物酶和二抗抗前列腺癌抗原作为免疫标记物（GS-TH-HRP-Ab2），同时一抗抗-PSA （Ab1）也固定到石墨烯表面，对抗原检测，线性范围宽（0．002 10μg /L ），检出限低（1ng /L ），重现性好、选择性和稳定性高。

他们还将一抗抗-PSA 抗体固定于石墨烯表面，量子点功能化的石墨烯固定的二抗作为标记物用于制备夹心型电化学免疫传感器检测其他肿瘤标志物。

文献［43 45］报道了一系列基于石墨烯纳米复合物用于固定一抗的电化学免疫传感器，测定炔诺酮的线性范围为0．01 10μg /L ，检出限为3．58ng /L ［43］；检测肿瘤基因RCAI 的检测范围为0．01 15μg /L ，检出限为4．86ng /L ［44］；前列腺肿瘤标记物，检测范围为0．01 40μg /L ，检出限达到2ng /L ［45］；检测人血清绒毛膜促性腺激素（HCG ），检测范围为0．5 40．00μg /L ，检出限为0．034μg /L ［46］。

Kong 等［47］制备了金纳米-硫堇-石墨烯纳米复合材料，用于构建无标记的免疫传感器，可以灵敏检测癌胚抗原的浓度。

总体来说，引入石墨烯固定生物分子提高了免疫传感器的分析性能，但是多数研究者更倾向于利用石墨烯复合物或对其进行掺杂，进而固定免疫分子，以便更好地提高免疫传感器的稳定性。

本课题组也制备了石墨烯/金纳米复合物作为生物分子固定界面制备电化学免疫传感器，检测人IgG ，检测范围为0．2 320μg /L ，检出限为70ng /L ［48］。

同时，我们还制备了石墨烯-普鲁士蓝/金纳米作为固定界面，通过与辣根过氧化酶、H 2O 2的催化循环放大信号构建电化学免疫传感器，效果令人满图3利用石墨烯-普鲁士蓝/金纳米制备电化学免疫传感器［49］Fig．3Prepatation of electrochemical immunosensorbased on Graphene-Prussian blue /gold nanoparticles ［49］意［49］（如图3所示）。

近来，研究者考察了石墨烯氧化物在细胞成像和药物输送等的生物应用［67 70］。

研究发现，石墨烯氧化物的固载率（固载药物与载体GO 的重量比）可达到200%，远高于其它纳米粒子的纳米载体。