呂法煜，李德有

(焦作市技師學(xué)院，河南焦作 454002)

1 引言

生物傳感器研究起源于20世紀(jì)的60年代，1967年 Updike等［1］把葡萄糖氧化酶 (GOD)固定化膜和氧電極組裝在一起，制成了第一種生物傳感器，即葡萄糖酶電極。此后，隨著生物、化學(xué)、物理學(xué)、醫(yī)學(xué)、電子技術(shù)等的迅速發(fā)展，各種類(lèi)型的生物傳感器相繼出現(xiàn);到80年代，生物傳感器已成為電化學(xué)分析和生物技術(shù)研究最為活躍的領(lǐng)域之一。

生物傳感器研究經(jīng)歷了三個(gè)階段，第一代傳感器以酶的天然介體——氧來(lái)作為酶與電極之間的電子通道，直接檢測(cè)酶反應(yīng)底物的減少或產(chǎn)物的生成。這類(lèi)傳感器的檢測(cè)結(jié)果受到很多因素的影響，如氧分壓、氧溶解濃度、H2O2的過(guò)電位過(guò)高等。

70年代以后，人們開(kāi)始用小分子的電子媒介體來(lái)代替氧溝通酶活性中心與電極之間的電子通道，通過(guò)檢測(cè)媒介體的電流變化來(lái)反映底物濃度的變化，這種傳感器被稱(chēng)為第二代生物傳感器。常用的電子媒介體有鐵氰化鉀/亞鐵氰化鉀、二茂鐵及其衍生物、染料分子、Ru、Os的化合物、金屬酞菁等。

第二代傳感器與第一代傳感器相比具有許多優(yōu)點(diǎn)，但酶與電極間還不能直接進(jìn)行電子轉(zhuǎn)移。直接電子轉(zhuǎn)移才是生物傳感器的發(fā)展目標(biāo)，因?yàn)槊概c電極之間的直接電子轉(zhuǎn)移與氧和其他電子受體無(wú)關(guān)，無(wú)外加毒性物質(zhì)。這種利用自身與電極間的直接電子轉(zhuǎn)移來(lái)完成信號(hào)轉(zhuǎn)換的生物傳感器被稱(chēng)為第三代生物傳感器。Koopal［2］的一系列工作為這種傳感器奠定了一定的基礎(chǔ)，他們采用獨(dú)特的方式將GOD固定在聚吡咯中。許多基于過(guò)氧化物酶直接電化學(xué)的檢測(cè)過(guò)氧化氫和有機(jī)過(guò)氧化物的第三代生物傳感器相繼被制備出來(lái)［3-4］。

目前，基于納米材料的第三代生物傳感器己成為一個(gè)研究亮點(diǎn)。納米材料量子尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)，可把傳感器的性能提高到新水平，使其不僅體積小，而且速度快、精度高、可靠性好，還能實(shí)現(xiàn)多功能化和選擇性檢測(cè)。

ZnO是一種ⅡB-ⅥA族直接寬帶隙(帶隙3.37 eV)半導(dǎo)體材料，由于其具有奇特的光學(xué)和電學(xué)方面的性能，近年來(lái)得到了廣泛的研究，如在光電器件［5］、電子器件［6］、化學(xué)傳感器［7］、太陽(yáng)能電池等方面的應(yīng)用［8］。納米尺度的ZnO具有較好的電子傳導(dǎo)能力，具有高等電點(diǎn)(IEP=9.5)，與蛋白質(zhì)或者生物細(xì)胞等生物材料有極好的兼容性，安全無(wú)毒，很適合用來(lái)吸附低等電點(diǎn)的蛋白質(zhì)，這些優(yōu)點(diǎn)是其他納米材料所無(wú)法比擬的，完全符合構(gòu)建生物傳感器對(duì)載體材料的特殊要求。因此納米結(jié)構(gòu) ZnO的優(yōu)良特性與傳感器制備技術(shù)的結(jié)合，不僅拓寬了納米半導(dǎo)體材料的應(yīng)用領(lǐng)域，也促進(jìn)了生物傳感器技術(shù)的發(fā)展。

2 納米結(jié)構(gòu)氧化鋅合成方法的多樣性

在合成ZnO納米材料方面，已有大量的研究。目前合成ZnO一維納米材料的方法很多，包括氣相傳輸法［9］、金屬有機(jī)氣相外延生長(zhǎng)［10］、水熱合成法［11］和電化學(xué)沉積法［12］。其中氣相傳輸法和水熱法是兩種廣泛使用的方法，氣相傳輸法在不同條件下可合成多種形貌的納米結(jié)構(gòu)氧化鋅，而水熱法更有利于得到形貌均一的一維或零維氧化鋅納米結(jié)構(gòu)。納米氧化鋅合成方法的多樣性為生物傳感器構(gòu)建工藝提供了更廣闊的選擇性，將不同的合成氧化鋅納米方法與生物傳感器構(gòu)建方法有機(jī)結(jié)合，可有效的優(yōu)化傳感器的構(gòu)建工藝，更好的保持生物分子的生物活性，提高生物傳感器的性能。

3 納米結(jié)構(gòu)氧化鋅的形貌多樣性

ZnO是唯一一種表現(xiàn)出半導(dǎo)體性質(zhì)、電極化性質(zhì)和熱電性質(zhì)等多重性質(zhì)的材料。它擁有非常豐富的形貌，使用不同的合成技術(shù)，可以在不同條件下合成ZnO納米梳狀結(jié)構(gòu)、納米環(huán)狀結(jié)構(gòu)、納米螺旋結(jié)構(gòu)、納米弓形結(jié)構(gòu)、納米帶、納米線(xiàn)和納米籠等結(jié)構(gòu)［13］。這些獨(dú)特的納米結(jié)構(gòu)表明ZnO在結(jié)構(gòu)和特性上是所有材料中納米結(jié)構(gòu)最富有的家族之一。

多樣性的氧化鋅納米結(jié)構(gòu)為其在生物傳感器應(yīng)用方面提供了更大的靈活性，不同的形貌適合于構(gòu)建不同類(lèi)型和功能的傳感器，選擇合適的生物分子與合適形貌的氧化鋅納米結(jié)構(gòu)，可以更高效地構(gòu)建生物傳感器，實(shí)現(xiàn)生物傳感器的特定傳感功能。

4 納米結(jié)構(gòu)氧化鋅晶體結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)

通常ZnO的穩(wěn)定相為六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)，屬6 mm點(diǎn)群，其晶格常數(shù) a=0.325 nm，c=0.521 nm，c/a=1.662，比理想的六角緊密堆積的 1.633稍小。在ZnO晶格中，鋅原子和氧原子占據(jù)層交錯(cuò)排列，其晶體結(jié)構(gòu)模型如圖1(a)所示［14］。

圖1 ZnO晶體結(jié)構(gòu)模型

納米結(jié)構(gòu)氧化鋅的光致發(fā)光熒光光譜(PL)如圖2所示。

圖2 氣相傳輸法制備的氧化鋅納米棒PL譜

從圖2中看出，在378 nm處ZnO有一個(gè)很強(qiáng)的紫外發(fā)射峰，該發(fā)射峰來(lái)自于ZnO的帶邊激子復(fù)合［15］。另外可以在515 nm處觀察到一個(gè)稍不明顯的、寬泛的可見(jiàn)光峰，該峰來(lái)自于電子從單離子氧缺陷態(tài)轉(zhuǎn)移至價(jià)帶的光激發(fā)空穴的過(guò)程［16］。

氧化鋅晶體的極性結(jié)構(gòu)使其具有高等電點(diǎn)，這使氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的表面帶有較密集的正電荷，為生物分子在其表面組裝提供了有利的靜電電性條件。納米結(jié)構(gòu)氧化鋅PL譜中，尖銳的紫外發(fā)射峰和寬泛的缺陷深能級(jí)發(fā)射峰易于探測(cè)，可方便地對(duì)氧化鋅納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行熒光測(cè)定，在納米結(jié)構(gòu)氧化鋅標(biāo)記生物分子進(jìn)行光學(xué)檢測(cè)方面具有潛力。同時(shí)也為氧化鋅納米結(jié)構(gòu)在生物傳感器方面的應(yīng)用開(kāi)辟了新的途徑。

5 納米氧化鋅在生物傳感器上的應(yīng)用研究

1980年，Esser等［17］研究了ZnO單晶表面對(duì)過(guò)氧化氫的物理吸附規(guī)律，成為ZnO生物化學(xué)傳感器研究的開(kāi)端。

1993年，Nanto等［18］制作了鋁摻雜 ZnO薄膜的氣體傳感器，用于測(cè)定食物的新鮮度。由此，ZnO傳感器的應(yīng)用開(kāi)始大規(guī)模的展開(kāi)。

2001 年，Enunanuel Topoglidis 等［19］在 TiO2及ZnO膜上修飾了蛋白質(zhì)并測(cè)試了修飾后的電化學(xué)特性，出現(xiàn)了一個(gè)還原峰，如圖3所示。

圖3 TiO2及ZnO膜修飾后的電化學(xué)特性

2005年，張成林等［20］制作了氧化鋅納米棒修飾的玻碳電極，并研究了在此電極上修飾蛋白質(zhì)后的電化學(xué)行為。其研究表明，血紅蛋白和細(xì)胞色素c能在被修飾的電極上被氧化，而且氧化電流與所分析的溶液濃度成線(xiàn)性關(guān)系，其檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4 玻碳電極修飾蛋白質(zhì)后的電化學(xué)特性分析

2006年 Nitin Kumar等［21］用氧化鋅納米棒陣列修飾DNA，利用氧化鋅的熒光性質(zhì)進(jìn)行DNA片斷序列檢測(cè)。傳感器的組裝和檢測(cè)示意圖見(jiàn)圖5。

圖5a是同時(shí)進(jìn)行的納米氧化鋅的合成與條狀圖案化組裝示意圖，b中左圖是組裝后的納米氧化鋅條狀圖案的SEM照片，照片中條紋間隔約為50 μm，插圖是條狀圖案中間的平伏的氧化鋅納米結(jié)構(gòu)。右圖是直接合成的條狀圖案的共焦顯微鏡照片，照片中沒(méi)有熒光產(chǎn)生。c是檢測(cè)示意圖，聚二甲基硅烷(polydimethylsiloxane，PDMS)用來(lái)把生物分子在同一氧化鋅陣列上同時(shí)進(jìn)行特異性結(jié)合反應(yīng)，寡核苷酸探針bce和bas被首先特異性地分別連接到腔體1和腔體2中，熒光素標(biāo)記的basr片段被同時(shí)加到兩個(gè)腔室中，在相同的條件下使DNA片段間進(jìn)行特異性連接。用共焦顯微鏡檢測(cè)可明顯的看到腔室2中有熒光而腔室1中沒(méi)有，左下角插圖是兩種腔室經(jīng)過(guò)特異性反應(yīng)后的日光照片。當(dāng)DNA交連了bas和basr后腔室2能觀察到明顯的熒光，由于DNA對(duì)bce和basr的交連效果很差，所以在腔室1中幾乎不能觀察到熒光現(xiàn)象。在腔室2中觀察到的熒光的條紋圖案與納米氧化鋅構(gòu)建的條紋圖案幾何形狀完全相同。

圖5 傳感器組裝和檢測(cè)示意圖

同年，Wei［22］報(bào)道了基于GOD固定在氧化鋅納米棒陣列上的葡萄糖傳感器。施加電壓0.8 V(vs Ag/AgCl)，傳感器表現(xiàn)出很高的靈敏度和重現(xiàn)性，線(xiàn)性范圍0.01～0.345 mmol/L，CV曲線(xiàn)如圖6。

圖6 葡萄糖傳感器CV曲線(xiàn)

2008年，Chen L Y 等［23］研制了一種不要中間介體的生物傳感器，低等點(diǎn)的酪氨酸酶通過(guò)靜電作用吸附在高等電點(diǎn)的氧化鋅納米棒上，再通過(guò)由Nafion形成的膜固定在玻炭電極上，并且固定的酪氨酸酶很大程度上保持了生物活性，如圖7，CV曲線(xiàn)顯示固定在納米氧化鋅棒上的酪氨酸酶對(duì)苯酚有良好的催化活性。

圖7 不要中間介體的生物傳感器CV曲線(xiàn)

2009年，徐春祥等［24］制備了金絲電極原位生長(zhǎng)的氧化鋅納米棒，并多層修飾辣根過(guò)氧化物酶。辣根過(guò)氧化物酶在電極上直接進(jìn)行電子傳遞，并顯示出對(duì)過(guò)氧化氫具有良好的催化活性，不同層數(shù)辣根過(guò)氧化物酶對(duì)過(guò)氧化氫的催化性能如圖8的I-t曲線(xiàn)。

圖8 不同層數(shù)辣根過(guò)氧化物酶對(duì)過(guò)氧化氫的催化性能曲線(xiàn)

6 展望

納米結(jié)構(gòu)氧化鋅在制備方法、結(jié)構(gòu)、形貌、性質(zhì)等方面具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，多種工藝條件的合成方法為生物傳感器構(gòu)建工藝提供了更廣闊的選擇性;極其豐富的形貌為其在生物傳感器應(yīng)用方面提供了更大的靈活性;極性的結(jié)構(gòu)為生物分子在納米結(jié)構(gòu)氧化鋅表面的組裝提供了方便可靠的途徑;典型且易于探測(cè)的光譜學(xué)性質(zhì)為納米結(jié)構(gòu)氧化鋅作為生物分子標(biāo)記物提供了方便易得的檢測(cè)方法。因此，納米氧化鋅電化學(xué)生物傳感器將是極有前途的生物傳感器。

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