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纳米生物传感器 纳米生物传感器 纳米生物传惑器 樊春海（中国科学院上海应用物理研究所） 生物传感器（ｂ１０Ｓｅｎｓ０ｒ）是利用生物特异性识别过程来实现检测的传感器件。生物敏感元件包括生物体、组织、细胞、细胞器、细胞膜、酶、抗体、核酸等，而生物传感器是利用这些从微观到宏观多个层次相关物质的特异性识别能力的器件总称。纳米生物传感器（ｎａｎｏｂ｛０ｓｅｎ—ｓｏｒ）是纳米科技与生物传感器的融合。其研究涉及到生物技术、信息技术、纳米科学、界面科学等多个重要领域，并综合应用光声电色等各种先进检测技术，因而成为国际上的研究前沿和热点。一方面。其设计与开发涉及到很多基本科学问题。为基础研究提供了许多源头创新思路。另一方面．纳米生物传感器可能对临床检测、遗传分析、环境检测、生物反恐和国家安全防御等多个领域产生革命性的影响。正因为这样，世界各国及很多国际性公司纷纷拨巨资支持纳米生物传感器的研究，并吸引着众多领域的研究人员。 纳米生物传感器的信号传导 方式主要包括光学、电学、力学、 声学等。传统上光学检测是生物 传感器的主流，然而近年来随着 界面科学（如分子自组装技术）与 纳米科学（如扫描探针显微镜）的 发展，电化学纳米生物传感器获 得了前所未有的发展机遇并引起 了极大的关注。著名的Ｎａｔｕｒｅ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｉｏｇｙ杂志曾在２０００年评 论说“电化学ＤＮＡ分析时代到来 了”。电化学检测技术不仅灵敏、 快速，而且相对于常用的荧光检 测技术来说其装置轻便、廉价、低 能耗且易于微型化和集成化，符 合手持式检测装置以及芯片实验 室（１ａｂ－ｏｎ—ａ－ｃｈｉｐ）的要求，因此被 认为是在时效、成本等有较高限 定要求的场合实现生物检测的首 选技术之一。发展迅猛应用广泛科学家们已经在实验室中研制出无数种新型的纳米生物传感器，在此我们仅举几个典型的基因传感器的例子。一种是美国航空航天局（ＮＡＳＡ）完成的电化学基因芯片。他们将ＤＮＡ探针固定在碳纳米管阵列上，在探针捕获靶基因之后可以利用电化学方法探测鸟嘌呤碱基的电化学活性，实现对多种基冈的快速检测。在这种传感器当中，碳纳米管阵列既可以作为一种良好的纳米载体又因为其卓越的导电能力可以极大提高检测性能。我们实验室则基于ＤＮＡ探针在金电极表面的组装过程的系统研究。实现了ＤＮＡ探针分子在电极界面上的组装和调控，并通过引入ＤＮＡ一纳米金粒子复合物进行信号放大，．研制出一种具有高灵敏度和高特异性的电化学ＤＮＡ生物传感器，其灵敏度高达１０ｆＭ。这一传感器也具有很高的特异性，不仅可以区分非特异性的ＤＮＡ序列，而且可以对单碱基变异性进行检测。另一种被称为“纳米孔”的生物传感器也是由美国科学家完成的，他们采用了一种毒素膜通道蛋白。这种蛋白质内有一个纳米尺度的空腔，单链的ＤＮＡ探针分子可以自由地通过这个通道；而当ＤＮＡ探针捕获到靶基因或靶蛋白之后体积就会变大，从而堵塞在空腔内。因此通过探测膜通道的离子电流就可以实现单个分子的探测。科学家们还预期，如果能把信噪比进一步提高，这种传感器还可以感知Ａ、Ｇ、Ｔ、Ｃ四种 堂墨壁兰塑业口 ＤＮＡ碱基所产生的电流变化，从体与配体的结合机理研究发现，研究的深入．科学家们发现通过而实现单个ＤＮＡ分子的测序。如两者之间通过范德华力、氢键、静单一的生物识别元件和单一的纳果这种单分子测序获得成功，我电、堆砌和形状匹配等多种相互米材料已经很难提高生物检测的们就可能将人类基因组的测序成作用产生高特异性的结合力。与性能。而我们知道，生物体内存在本降低到１０００美元以下，也就是抗体相比。核酸适配体具有更多着无数天然的“生物传感器”，它说每个人针对自己特定的遗传状的优越性，如不受免疫条件和免们可以在高噪音背景情况下感知况进行个性化治疗的时代就可能疫原性限制，可以体外人工合成，单个分子，从而发挥生理学效应，到来了。变性与复性可逆，可修饰并易于这是当前的纳米生物传感器所望 由于核酸适配体（ａｐｔａｍｅｒ）的长期保存和室温运输等。更重要尘莫及的。纳米生物传感“机器”出现，纳米生物传感器除了进行的是。核酸适配体的靶分子更为则是在此背景下科学家们提出向基因检测外，已经可以扩展到检广泛。既可以是大分子物质如蛋生物学习的新概念，是纳米生物测细菌、病毒、蛋白质（抗原、抗白质和核酸等，也可以是小分子传感器的“升级版”。即由多个维体、酶等）、有机小分子（农药残留物质如肽段、氨基酸、有机物甚至度和材质的无机纳米结构与多种物、毒品等）、重金属离子等，可以金属离子等，还可以是整体性物生物分子组装而成，通过生物探说其探测范围涵盖了我们