晉曉勇，張旭明

（寧夏大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，能源化工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,寧夏銀川750021）

0 引言

早在1962年，Clark在氧電極的基礎(chǔ)上提出了研制葡萄糖酶?jìng)鞲衅鞯脑O(shè)計(jì)原理。1967年Updike和Hicks將固定化的葡萄糖氧化酶膜結(jié)合在氧電極上，制成了第一代生物傳感器[1]。經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展，隨著現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)、分子生物學(xué)、生物電子學(xué)和仿生學(xué)的迅猛發(fā)展及相互結(jié)合，生物傳感技術(shù)在基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究、新產(chǎn)品開發(fā)和商品化等方面都取得了長(zhǎng)足進(jìn)展[2～4]。

生物傳感器（biosensors）是以固定化的生物體成分（酶、抗體、抗原、核酸等）或生物體本身（細(xì)胞、細(xì)胞器、組織等）作為敏感（識(shí)別）元件的傳感器[2,4]。其基本原理是利用敏感（識(shí)別）元件（酶膜、抗體膜、生物表皮、細(xì)胞器等）與被測(cè)樣品之間發(fā)生高度選擇性的生物化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)生電、熱、光、質(zhì)量等的變化，通過(guò)轉(zhuǎn)換元件（換能器：電極、熱敏電阻、光纖、壓電晶體諧振器等）將這種變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)[2,4～5]。生物傳感器基本組成如圖1所示。

由于生物傳感器廣泛應(yīng)用現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)中的各種最新方法，因此與傳統(tǒng)的分析檢測(cè)手段相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

a.生物傳感器是由具有高度選擇性的生物材料構(gòu)成敏感（識(shí)別）元件，因此檢測(cè)時(shí)一般不需要進(jìn)行復(fù)雜的樣品預(yù)處理和另加其它試劑。

圖1 生物傳感器的基本組成Fig.1 The basic compositions of a biosensor

b.體積小，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)在線監(jiān)測(cè)。

c.靈敏度高，響應(yīng)快，樣品用量少，可以重復(fù)多次使用。

d.傳感器連同測(cè)試系統(tǒng)的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于大型儀器，便于推廣普及。

在生物傳感器中，利用壓電石英諧振器對(duì)質(zhì)量的敏感性，通過(guò)諧振器結(jié)合待測(cè)物后頻率的變化來(lái)檢測(cè)的一類傳感器稱為壓電生物傳感器[6～7]。 壓電生物傳感器（piezoelectric biosensors，PEBS）是把電子學(xué)、機(jī)械學(xué)、分子生物學(xué)等學(xué)科結(jié)合在一起的新型生物傳感器。這類傳感器最大的優(yōu)點(diǎn)是不需要任何標(biāo)記，且儀器簡(jiǎn)單、操作方便。因此引起了人們的濃厚興趣，成為生物傳感器領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[8]。

1 壓電分析技術(shù)基本理論

1880 年，Jacques Curie和 Pierre Curie[9]首先發(fā)現(xiàn)壓電現(xiàn)象。晶體壓電理論首先是由雅克·居里和皮埃爾·居里于1880年提出的，1959年Sauerbrey[10]提出了氣相中晶體表面所載質(zhì)量與諧振頻移的Sauerbrey方程：

方程中：Δf—晶體吸附外來(lái)物質(zhì)后振動(dòng)頻率的變化（Hz）；k—常數(shù)；f—壓電晶體的基本頻率 （MHz）；Δm—被吸附物質(zhì)的質(zhì)量；A—被吸附物所覆蓋的面積。

石英壓電傳感技術(shù)是20世紀(jì)60年代初發(fā)展起來(lái)的一種新型測(cè)量技術(shù)，主要有體聲波型和聲表面波型兩種形式[11]。由于應(yīng)力、溫度、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、表面沉積物等外界因素均會(huì)對(duì)壓電晶體的性能產(chǎn)生較大的影響，與此相對(duì)應(yīng)，壓電傳感器有應(yīng)力、角速度、加速度、溫度、流量、電壓等物理量傳感器和濕度、氣體、生物、電化學(xué)等化學(xué)量傳感器。

1980年，Konash和 Bastiaans[12]首先實(shí)現(xiàn)了單面觸液的壓電晶體在液相中的成功起振。他們發(fā)現(xiàn)，石英晶體在液相中的頻率偏移，不僅與電極表面所吸附的質(zhì)量有關(guān)，而且與液體的密度有關(guān)。1991年，Martin等[13]推導(dǎo)出同時(shí)具有附著質(zhì)量和液體阻尼情況的AT切型石英晶體諧振器頻率偏移公式：

其中，Δfm是質(zhì)量作用對(duì)響應(yīng)的影響，ΔfL是Kanazawa和Gordon[14]所推導(dǎo)的晶體在液相中的振蕩行為。姚守拙等[15]通過(guò)對(duì)多種溶液的響應(yīng)的研究，提出了介電常數(shù)和電導(dǎo)兩個(gè)參數(shù)對(duì)晶體振蕩頻率響應(yīng)的作用，使液相壓電傳感經(jīng)驗(yàn)方程式更趨完善。

體波式壓電生物傳感器主要由用生物識(shí)別物質(zhì)包被的石英晶體、振蕩器和頻數(shù)計(jì)等幾部分組成。AT方式切割的石英晶體，其振動(dòng)頻率按切割角度的不同有9、10、27 MHz等不同規(guī)格。體波式壓電石英晶體，亦稱為石英晶體微天平(quartz crystal microbalance,QCM)， 直徑一般為 8～16 mm，厚度約為 0.1～0.3 mm，其兩側(cè)表面鍍有直徑為3～8 mm、厚度為1 μm左右的金（或銀）膜形成激勵(lì)電極，同時(shí)有利于修飾和固定識(shí)別元件。壓電檢測(cè)系統(tǒng)是由兩個(gè)振蕩回路、一個(gè)晶體檢測(cè)振蕩器、一個(gè)晶體參比振蕩器組成，參比振蕩器不包被生物識(shí)別物質(zhì)，是為了校正溫度、濕度、粘度和其它干擾因素的影響，消除一些誤差。壓電晶體的諧振頻率及其改變由頻率計(jì)數(shù)器測(cè)定，再經(jīng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和結(jié)果報(bào)告。

體波式壓電生物傳感器的選擇性取決于吸附劑的性能，靈敏度取決于晶體的性質(zhì)。一般來(lái)說(shuō)，晶體質(zhì)量增加對(duì)振動(dòng)頻率的改變約為50 Hz ng-1，頻率計(jì)精度在0.1 Hz以下，理論上可允許檢測(cè)10-12g級(jí)的痕量物質(zhì)[16]。

聲表面波（Surface Acoustic Wave）是沿媒質(zhì)表面?zhèn)鞑?、振幅隨深度迅速減弱的一種聲波，早在一百多年前人們就從理論上認(rèn)識(shí)了這種波的性質(zhì)，但直到1965年激發(fā)表面波技術(shù)因?yàn)椴捎貌嬷笓Q能器才有了技術(shù)上的突破。此后，表面波器件得到了迅速發(fā)展?，F(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、衛(wèi)星、通訊、電子對(duì)抗和傳感器技術(shù)等領(lǐng)域，成為一類有發(fā)展前途的新器件。

2 壓電生物傳感器的分類及應(yīng)用

2.1 壓電生物傳感器的分類

根據(jù)檢測(cè)環(huán)境不同，PEBS分為壓電氣相傳感器和壓電液相傳感器[17～19]。同時(shí)，壓電液相傳感器分為質(zhì)量響應(yīng)型[18]和非質(zhì)量響應(yīng)型[19]。另外，PEBS可以和其它許多技術(shù)聯(lián)用，其分類方式并不固定。一般可將其按以下幾種方式分類[10]：根據(jù)所采用的生物識(shí)別元件分為壓電免疫傳感器、壓電基因傳感器、壓電微生物傳感器等；根據(jù)壓電晶體信號(hào)轉(zhuǎn)換方式分為體波式壓電傳感器、表面聲波壓電傳感器、阻抗式壓電傳感器等；根據(jù)所聯(lián)用其它技術(shù)及元件分為多參數(shù)同時(shí)檢測(cè)壓電傳感器、流動(dòng)注射壓電生物傳感器、電化學(xué)壓電生物傳感器、疊片式壓電生物傳感器等。在以上各種壓電生物傳感器中，研究和使用較多的是壓電免疫傳感器和壓電基因傳感器，有些工作在氣相環(huán)境下進(jìn)行分析檢測(cè)，也有一些工作是在液相環(huán)境中進(jìn)行分析檢測(cè)[20～21]。

2.2 壓電生物傳感器的應(yīng)用

在免疫分析方面應(yīng)用,利用免疫反應(yīng)而設(shè)計(jì)的壓電免疫傳感器作為一種新型生物傳感器，是利用壓電晶體對(duì)質(zhì)量變化的敏感性,結(jié)合抗原抗體特異性結(jié)合的特點(diǎn)而形成的一種自動(dòng)化分析檢測(cè)系統(tǒng)，可對(duì)多種抗原或抗體進(jìn)行實(shí)時(shí)快速、在線連續(xù)的定量測(cè)定及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究，在醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)、食品衛(wèi)生監(jiān)督、環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)、軍事等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。Minunni等[22]將人免疫缺陷病毒(HIV)某抗原表位的人工合成肽固定于石英晶體電極表面，實(shí)現(xiàn)了體液標(biāo)本中的HIV抗體的檢測(cè)。

在基因檢測(cè)方面應(yīng)用,Fawcett等[23]于1988年首先提出固定在石英晶體表面的DNA分子雜交后會(huì)引起共振頻率的明顯變化，在Fawcett工作的基礎(chǔ)上，Okahata等[24]采用了一個(gè)9 MHz的AT切割的鍍金的石英晶體，利用10個(gè)堿基能與單鏈的M13噬菌體DNA的EcoRⅠ結(jié)合位點(diǎn)互補(bǔ)的脫氧核糖核苷酸作為探針，研究了由于雜交引起的頻率變化隨時(shí)間的變化，獲得了滿意的結(jié)果。同時(shí)，還研究了不完全互補(bǔ)的靶DNA的雜交情況。

在其它分析檢測(cè)方面應(yīng)用,壓電生物傳感器作為一個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的理想平臺(tái)，除上述主要應(yīng)用外，還可以有許多特殊的應(yīng)用。Marx等[25]將壓電傳感器用于藥物與細(xì)胞作用的研究，從而建立了一種壓電細(xì)胞生物傳感器 （QCM cellular biosensor）。Chuang等[26]把壓電傳感器與酶促反應(yīng)相結(jié)合，研制了一種監(jiān)測(cè)葡萄糖的壓電酶?jìng)鞲衅?，固定尿素酶則制成了尿素分析壓電傳感器。

3 壓電生物傳感器信號(hào)放大技術(shù)

對(duì)壓電生物傳感器的信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)放大，其目的在于改善傳感器的性能，使其具有較高的靈敏度，較理想的特異性，穩(wěn)定的重現(xiàn)性和較寬的響應(yīng)范圍。為此，研究人員采取了一系列措施從各個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化并加以改進(jìn)，取得了較好的結(jié)果。常用的信號(hào)放大技術(shù)有以下幾種：

3.1 基于表面修飾構(gòu)建的信號(hào)放大技術(shù)

要構(gòu)建一種性能良好的壓電生物傳感器，傳感器的敏感識(shí)別部分（生物敏感膜）的固定是很重要的環(huán)節(jié)。要使生物識(shí)別分子保持固有性能的前提下處于不易脫落的狀態(tài)，并能夠在盡可能短的時(shí)間內(nèi)響應(yīng)，同時(shí)還應(yīng)有足夠的靈敏度和一定的可重復(fù)性。通常要求所采用的固定化方法既具有較高的固定量，又能使生物敏感膜的活性得以完好保持，還應(yīng)減少背景非特異性吸附、易于傳感界面的反復(fù)再生等。包埋法是用特定的膜將生物分子固定在壓電晶振電極表面，獲得生物敏感膜，該方法雖然簡(jiǎn)單易行，固定的生物分子的量比較大，但穩(wěn)定性一般不高，對(duì)生物活性的影響也很大，在監(jiān)測(cè)過(guò)程中蛋白質(zhì)的非特異吸附較大，一般難以獲得較高響應(yīng)靈敏度和重現(xiàn)性。最初對(duì)PEBS的改善主要從構(gòu)建一些性能優(yōu)越的生物分子的固定界面著手展開研究，也一直是科研人員探索的主要目標(biāo)之一[3,6]。

3.1.1 基于共價(jià)鍵合與交聯(lián)固定方法

通過(guò)先壓電晶體表面修飾帶特定功能團(tuán)（如-NH2、-OH、-COOH 等）的基質(zhì)膜，再利用雙功能試劑或多功能試劑（如戊二醛、甲苯二異氰酸酯等）交聯(lián)固定生物分子的方法。常用的有聚乙烯亞胺(PEI)固定法、硅烷(APTES)固定法等。交聯(lián)固定法由于操作簡(jiǎn)單，自從Shons等[17]首次用該方法制備了壓電免疫傳感器后，交聯(lián)固定法被廣泛用于免疫傳感器中各種免疫物質(zhì)的固定化[27]。

3.1.2 定向固定化技術(shù)

定向固定法指通過(guò)固定于換能器表面的其它分子作為橋梁，將生物組分固定在換能器表面[28～30]。常用的定向固定化方法主要有兩種：一種利用蛋白A（或蛋白G）特異結(jié)合IgG類抗體Fc端的特性進(jìn)行的定向固定化[29～30]；另一種利用自身帶巰基的抗體IgG片段（或Fab'-SH）與金基體之間的吸附作用或與基體上修飾的特定基團(tuán)鍵合作用進(jìn)行的定向固定化[29～31]。

3.1.3 自組裝單層膜固定法

自組裝單層膜是近20年發(fā)展起來(lái)的一種新型有機(jī)超薄膜，是分子通過(guò)化學(xué)鍵相互作用自發(fā)吸附在固/液或氣/固界面，形成熱力學(xué)穩(wěn)定和能量最低的有序膜[28]。吸附分子存在時(shí)，局部己形成的無(wú)序單層可以自我再生成更完善的有序體系。這種自組裝膜所構(gòu)建的生物傳感界面，其物理化學(xué)性能顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的化學(xué)修飾電極。它結(jié)合了LB膜的分子有序性和化學(xué)吸附穩(wěn)定性，具有均勻致密、缺陷少和生物相容性高等特性，具有良好的穩(wěn)定性和化學(xué)性質(zhì)。巰基自組裝單層膜技術(shù)是一種備受青睞的成膜技術(shù)[31]，可根據(jù)需要制備帶有其它不同功能團(tuán)的單層膜，巰基丙酸、巰基乙醇等已被廣泛地用于免疫分子固定載體膜[32]。

3.1.4 等離子體聚合膜沉積技術(shù)

等離子體聚合膜(PPF)是在等離子狀態(tài)下聚合而成的一類有機(jī)復(fù)合膜，具有高度交聯(lián)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的物理化學(xué)性能。與傳統(tǒng)聚合膜比較，此類膜的優(yōu)勢(shì)主要有[33]：（1）能實(shí)時(shí)控制膜的厚度，得到超薄膜（＜ 100 nm）；（2）均勻致密，無(wú)針孔；（3）具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性；（4）與基質(zhì)表面有極強(qiáng)的附著力，操作穩(wěn)定性高；（5）大多數(shù)有機(jī)物包括一些常規(guī)下不能聚合的有機(jī)物均能制成PPF；（6）可在不同類型、不同形狀的基質(zhì)表面上聚合成膜。Nakanishi等[34]首次引進(jìn)了PPF技術(shù)研制免疫傳感器。他們以乙二胺PPF為載體膜，通過(guò)戊二醛交聯(lián)白蛋白抗體，檢測(cè)了血清白蛋白含量，并驗(yàn)證了在傳感器穩(wěn)定性與噪音水平方面，PPF明顯優(yōu)于傳統(tǒng)聚合膜或硅烷化涂層。湖南大學(xué)的研究者在這方面也進(jìn)行了大量的研究工作[35]。因此，PPF是一種很好的化學(xué)生物傳感器的功能載體，已成為膜科學(xué)特別是傳感器領(lǐng)域一個(gè)新的研究方向。

3.1.5 聚電解質(zhì)靜電吸附組裝技術(shù)

聚電解質(zhì)作為一種水溶性高分子化合物，在水溶液中以穩(wěn)定的線性聚離子形式存在并帶有大量同種電荷。天然聚電解質(zhì)無(wú)毒無(wú)害,具有可生物降解性與生物相容性等優(yōu)點(diǎn)?；诰垭娊赓|(zhì)是水溶性高分子以及靜電自組裝技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),通過(guò)改變聚電解質(zhì)種類和聚電解質(zhì)溶液濃度、離子強(qiáng)度和溫度等外界條件可實(shí)現(xiàn)膜厚在納米范圍內(nèi)可調(diào)。聚電解質(zhì)吸附組裝技術(shù)是一類很有前景的超薄有機(jī)功能膜制備技術(shù)[36]，可交替吸附固定單層或多層蛋白質(zhì)[37]，并在溫和的條件下實(shí)現(xiàn)多種生物大分子在材料表面的固定,通過(guò)對(duì)組裝條件的控制實(shí)現(xiàn)多種生物功能組裝。

3.1.6 高支化聚合物的放大技術(shù)

高支化聚合物可分為兩類：樹枝狀大分子和超支化聚合物。樹枝狀大分子是高度支化、具有樹枝狀三維空間結(jié)構(gòu)的單分散大分子，這種大分子表面堆砌致密，內(nèi)部有空隙，分子尺度在納米級(jí)，其結(jié)構(gòu)有著極好的幾何對(duì)稱性，通常有類似球形的結(jié)構(gòu)，合成復(fù)雜，產(chǎn)率低。超支化聚合物同時(shí)具有樹枝狀大分子和線性聚合物的某些特點(diǎn)，單分子尺寸也是在納米級(jí)，但支化度較樹枝狀大分子低，趨近于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，一步反應(yīng)合成，步驟簡(jiǎn)單。高支化聚合物具有良好的溶解性能，低的熔體粘度，高對(duì)稱的結(jié)構(gòu)并且末端帶有大量官能團(tuán)，因此已經(jīng)被應(yīng)用于化學(xué)傳感界面來(lái)改變聚合物表面性質(zhì)[38]。

3.2 基于納米材料的信號(hào)放大技術(shù)

1990年7月，在美國(guó)巴爾的摩召開的第一屆國(guó)際納米科技會(huì)議標(biāo)志著納米科技（Nanoscience and Technology）的正式誕生。納米材料是納米科技的一個(gè)重要部分。由于在納米尺度下物質(zhì)中電子的量子力學(xué)性質(zhì)和原子的相互作用將受到尺度大小的影響，因此納米材料具有許多普通材料不可比擬的優(yōu)良性能，也正因?yàn)槿绱?，納米材料的研制和應(yīng)用一直成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)[39]。納米材料基本構(gòu)筑單元包括納米顆粒、納米管、納米線等。納米顆粒是一種特殊的納米材料，其本身具有規(guī)則的外形、均勻的尺寸和明顯的尺度效應(yīng)，并且納米顆粒又可以直接作為納米器件應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)的許多領(lǐng)域。納米顆粒的尺寸與生物分子大小相近，并且納米顆粒具有獨(dú)特的電學(xué)、磁學(xué)和光學(xué)等性質(zhì)。因此，結(jié)合了物理學(xué)、生物學(xué)與化學(xué)而發(fā)展起來(lái)的各種新型納米顆粒，已經(jīng)在生物樣品的超靈敏檢測(cè)、疾病的早期診斷、基因與藥物的靶向輸送、生物分離和生物醫(yī)學(xué)成像等眾多方面取得了驕人的成果[40]。

3.2.1 應(yīng)用金納米顆粒的信號(hào)放大

納米金也稱膠體金，它的形成是通過(guò)氯金酸（HAuCl4）在還原劑作用下，聚合成直徑在1～100 nm之間的金顆粒，形成帶負(fù)電的疏水膠體溶液。因?yàn)樗怯伸o電作用而形成的穩(wěn)定的膠體狀態(tài)，故稱為膠體金。由于納米金顆粒具有獨(dú)特的物理、化學(xué)性質(zhì)及生物相容性。1971年Faulk和Taylor首次采用免疫金染色將納米級(jí)膠體金應(yīng)用于直接免疫組織化學(xué)檢測(cè)沙門氏菌表面抗原[41]，這是納米金顆粒應(yīng)用于生物檢測(cè)的里程碑。到1981年免疫金染色與銀顯染增強(qiáng)技術(shù)結(jié)合形成免疫金銀染色后，納米金顆粒得到了更為迅速的發(fā)展，已被廣泛應(yīng)用于生物學(xué)和醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域[42]。

3.2.2 磁性納米粒子的信號(hào)放大

磁性納米粒子是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型材料，因磁性納米粒子具有特殊的磁導(dǎo)向性、超順磁性，其表面可連接生化活性功能基團(tuán)，使其在核酸分析、臨床診斷、靶向藥物、細(xì)胞分離和酶的固定化等領(lǐng)域已經(jīng)開始了廣泛的應(yīng)用研究，基于磁性納米粒子的蛋白質(zhì)和DNA的生物傳感器往往利用了磁性納米粒子最為適合磁性富集和磁性分離的特點(diǎn)。Nam與Mirkin等報(bào)道了一種基于磁性納米粒子的生物條碼（Bio-Bar-Code）方法來(lái)檢驗(yàn)DNA。在這一基礎(chǔ)上，Nam等又將磁性納米粒子擴(kuò)展應(yīng)用并實(shí)現(xiàn)了對(duì)蛋白質(zhì)的檢測(cè)[43]。

3.2.3 其它納米粒子的信號(hào)放大

二氧化硅納米粒子作為親水型材料，比普通膠乳具有更高的密度、比表面積和物理化學(xué)穩(wěn)定性，同時(shí)易于制備和進(jìn)行功能化處理，從而用作生物活性物質(zhì)的載體進(jìn)行生化檢測(cè)具有許多優(yōu)勢(shì)[44]。晉曉勇等[45]以納米級(jí)SiO2顆粒替代傳統(tǒng)膠乳標(biāo)記羊抗人IgG抗體，根據(jù)壓電免疫凝集傳感原理建立了一種改進(jìn)的液相壓電免疫凝集技術(shù)，用于人IgG的直接、快速的檢測(cè)。同時(shí)，考察了納米金標(biāo)記的一抗與人IgG的免疫凝集現(xiàn)象，并將其結(jié)果與SiO2納米顆粒標(biāo)記的一抗作比較。與常規(guī)免疫傳感診斷方法相比，這種非質(zhì)量效應(yīng)型壓電傳感新技術(shù)具有快速、敏感、操作簡(jiǎn)單、成本低廉、裝置體積小、便于攜帶、可直接進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。

量子點(diǎn)納米顆粒（QDs）又可稱為半導(dǎo)體納米微晶體，具有獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)。Chan等研究小組于1998年在Science雜志上同期報(bào)道了應(yīng)用量子點(diǎn)熒光納米顆粒標(biāo)記生物分子，開拓了其在細(xì)胞生物學(xué)領(lǐng)域的研究[46～47]。

羥基磷灰石等納米復(fù)合材料是繼單組分材料、復(fù)合材料和梯度功能材料之后的第四代材料，具有特殊光學(xué)和電學(xué)性能。與單一組分的生物材料相比，復(fù)合生物材料的性能具有可調(diào)性。羥基磷灰石[HA：Ca10(PO4)6(OH)2]的化學(xué)組成和結(jié)晶結(jié)構(gòu)類似于人骨骼系統(tǒng)中的磷灰石，作為新興的生物醫(yī)學(xué)材料，HA具有良好的生物相容性、生物活性[48]。

自從Iijima[49]在1991年發(fā)現(xiàn)了碳納米管（CNT）后，全世界都掀起了一股研究碳納米管的熱潮。碳納米管具有較好的導(dǎo)電性、優(yōu)良的電子轉(zhuǎn)移能力以及良好的化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)?，F(xiàn)已有大量的研究報(bào)道用不同方法將碳納米管固定到電極上來(lái)催化電活性物質(zhì)的氧化還原反應(yīng)。Zhang等將碳納米管分散在殼聚糖溶液中然后固定到電極表面，利用碳納米管的良好催化性能制備了葡萄糖傳感器[50]。

3.3 酶催化信號(hào)放大技術(shù)

近年來(lái)，將酶催化放大技術(shù)用于壓電傳感技術(shù)也受到了人們的關(guān)注。為了提高檢測(cè)靈敏度，Ebersole和Ward創(chuàng)立了酶催化質(zhì)量放大壓電免疫分析的方法。自此，各種各樣的酶被用來(lái)催化底物生成不溶物沉積在電極表面來(lái)增加其質(zhì)量負(fù)載，對(duì)其進(jìn)行信號(hào)放大[51～52]。符婷等[53]提出了一種酶催化沉積放大的高靈敏壓電免疫傳感器，采用己二硫醇在晶振表面組裝一單分子層，再結(jié)合納米金顆粒，然后固定IgG抗體，在檢測(cè)人IgG時(shí)，采用HRP酶標(biāo)抗體夾心反應(yīng)，通過(guò)酶催化底物DAB（3,3'-聯(lián)苯二胺）生成沉淀到晶振表面達(dá)到放大信號(hào)的目的，取得較好的結(jié)果。

3.4 其它信號(hào)放大技術(shù)

生物素－親合素系統(tǒng)是70年代末發(fā)展起來(lái)的一種新型生物反應(yīng)放大系統(tǒng)，隨著各種生物素衍生物的問世，該體系很快被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)各領(lǐng)域。1979年Guesdon[54]利用生物素和親合素間具有高度親合力的特點(diǎn)，建立了標(biāo)記親合素和生物素法與橋聯(lián)親合素-生物素技術(shù)。親合素由4個(gè)相同的亞基組成，能結(jié)合4個(gè)分子的生物素。親合素與生物素之間的親和力極強(qiáng)，二者結(jié)合的親和常數(shù)(Ka)為1015mol-1，比抗原與抗體的親和力(Ka：105-11mol-1)至少高1萬(wàn)倍，因此二者能快速結(jié)合，而且反應(yīng)不受外界干擾，具有高度特異性和穩(wěn)定性。目前親和素已基本被鏈霉親和素所代替。

在壓電傳感器方面，夏涵等[55]在所構(gòu)建的壓電石英晶體DNA傳感器檢測(cè)系統(tǒng)中引入該體系，使含有biotin-dUTP的表皮葡萄球菌靶DNA與HRP-鏈霉親和素作用，建立基于辣根過(guò)氧化物酶催化的信號(hào)放大系統(tǒng)的壓電DNA傳感器微陣列，有效的提高了壓電石英晶體傳感器檢測(cè)的靈敏度。

LB(Langmuir-Blodgett)膜技術(shù)是將具有脂肪疏水端和親水基團(tuán)的雙親分子溶于揮發(fā)性的有機(jī)溶劑中，鋪展在平靜的氣－水界面上，待溶劑揮發(fā)后沿水面橫相施加一定的表面壓，這樣溶質(zhì)分子便在水平面上形成緊密排列的有序單分子膜。該技術(shù)可把液面上有序排列的一些有機(jī)化合物逐漸的轉(zhuǎn)移到固定基片上，實(shí)現(xiàn)基片上的特定分子的高度有序排列。LB膜的特殊性使其制成具有特殊功能的生物傳感器。因此，用它構(gòu)建傳感器界面時(shí)，其響應(yīng)時(shí)間短且靈敏度高[56]。

脂質(zhì)體是一種在水相中由磷脂雙分子層定向排列而成的直徑幾納米至幾微米的超微囊胞。脂質(zhì)體可以通過(guò)內(nèi)部包埋或表面修飾等方法，成為多種功能團(tuán)分子的通用載體。脂質(zhì)體的內(nèi)部水相可以包裹幾乎任何標(biāo)記物，脂質(zhì)體表面可以通過(guò)各種物理或化學(xué)方法修飾官能團(tuán)。被修飾了不同選擇性的功能基團(tuán)的脂質(zhì)體已被廣泛應(yīng)用于免疫測(cè)定和DNA的檢測(cè)。內(nèi)部沒有包埋信號(hào)分子，表面修飾了DNA或抗體的脂質(zhì)體也可被用于信號(hào)放大作用[57～58]。

4 壓電生物傳感技術(shù)的改進(jìn)與發(fā)展

近年來(lái)出現(xiàn)一些壓電生物傳感器與其它技術(shù)聯(lián)用的報(bào)道。Harteveld等[59]將壓電免疫傳感器與流動(dòng)注射技術(shù)相結(jié)合，使該傳感器自動(dòng)化程度進(jìn)一步提高。Lu等[60]將壓電免疫傳感器與流動(dòng)注射技術(shù)相結(jié)合，建立了一種有效可重復(fù)使用的免疫生物傳感器。陳志敏等[61]介紹了近年來(lái)國(guó)際上將基因芯片技術(shù)與傳感器技術(shù)結(jié)合的基因檢測(cè)技術(shù)，評(píng)述了對(duì)光學(xué)、電化學(xué)和壓電基因傳感器及其應(yīng)用的研究，并提出了基因傳感器今后的研究方向和發(fā)展趨勢(shì)。今后，壓電生物傳感器重點(diǎn)關(guān)注在以下幾個(gè)方面的研究，將進(jìn)一步提高其應(yīng)用潛力：

（1）向市場(chǎng)化、商品化方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)儀器的便攜性并開發(fā)廉價(jià)的石英晶振。目前對(duì)于壓電石英晶體的研究還只停留在實(shí)驗(yàn)室階段，所以當(dāng)其研究日益完善、存在的問題逐步解決時(shí)，它將逐漸應(yīng)用到工業(yè)中。

（2）與集成通訊和計(jì)算機(jī)聯(lián)用，逐漸向智能化、自動(dòng)化方向發(fā)展。

（3）隨著生物電子技術(shù)、物理技術(shù)和微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展，向微型化、陣列化、便攜式方向發(fā)展。

（4）向智能化、固態(tài)電子器件方向發(fā)展。

在PEBS的研發(fā)中，要結(jié)合不斷出現(xiàn)的新工藝、新技術(shù)，如：微型機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)、納米技術(shù)等，并不斷提高與完善、合理加以運(yùn)用到壓電免疫傳感器檢測(cè)工作中。開發(fā)出高通量、高敏感、陣列化、自動(dòng)化、高集成度的“QCM傳感器實(shí)驗(yàn)室”將是未來(lái)PEBS的發(fā)展方向?？傊?，集分子生物學(xué)、材料學(xué)、化學(xué)、電子學(xué)為一體的壓電生物傳感技術(shù)具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，它不但有望作為新型的檢測(cè)手段廣泛使用于醫(yī)學(xué)診斷、環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品衛(wèi)生、軍事等領(lǐng)域，并將在現(xiàn)代分析測(cè)量?jī)x器中發(fā)揮越來(lái)越大的作用。

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