生物传感型核壳纳米颗粒的制备与应用论文

　　生物传感型核壳纳米颗粒的制备与应用论文罗洁曾光明汤琳尹娟黎媛萍【摘要】近年来纳米材料在各领域已受到人们越来越广泛的关注，尤其是核壳型纳米颗粒的制备技术在不断更新发展，在生物传感器方面有着巨大的应用前景。本文重点介绍了生物传感型核壳颗粒的工作原理、制备方法及其在电化学生物传感器、光学生物传感器以及压电晶体生物传感器上的最新应用进展。【关键词】核壳，纳米颗粒，制备，生物传感器,评述1引言纳米技术是20世纪80年代末崛起的新技术，在材料、光学、化工、医药、环境保护等诸多领域得到广泛的应用1。纳米颗粒是指尺寸在1～100nm之间的粒子，它是由数目极少的原子或分子组成的原子群或分子群.freelol/L。Palecek等8在DNA序列的检测中引入磁性微粒，用磁性微粒标记寡核苷酸作为探针，与待测的DNA分子杂交后，磁场分离杂交分子，利用阴极溶出法进行DNA的检测，降低了检出限。段菁华等9采用油包水的反相微乳液方法，首次以羊抗人免疫球蛋白(IgG)标记的异硫氰酸荧光素(FITC)为核材料，成功地制备了FITC的核壳荧光纳米颗粒，克服了采用传统方法制备核壳荧光纳米颗粒中存在的荧光染料泄露的问题。该核壳荧光纳米颗粒比细胞小很多，且具有生物亲和性，可为纳米生物传感器件提供新型材料。基于该核壳荧光纳米颗粒的标记方法也为生物医学提供了一种新型的非同位素分析方法。Cai等10用低温法制备了一种以Cu为核，Au薄层为壳的核壳型纳米粒子，使之易于与ssDNA进行功能性聚合。这种核壳型Cu/Au纳米粒子与有5′巯基修饰的ssDNA偶联，制备成纳米标记的DNA探针，待测ssDNA固定在玻碳电极表面。当它与相对应的纳米Cu/Au核壳型纳米粒子标记DNA探针杂交后形成含有纳米标记物的DNA杂交分子。与金纳米探针相比，Cu/Au对DNA的杂交过程所产生的电信号具有明显的放大作用。Huang等11使用CdSe/ZnS核壳量子点作为荧光标记检测α人类IgE生物素，达到良好的效果，之后又将量子点作为指示剂对尿素进行定量分析12。核壳纳米颗粒的特殊性质使传感器具有好的适应性及高灵敏度。Xu等13将抗单克隆抗体包被功能化的荧光核壳纳米颗粒，作为标记物用于夹心荧光免疫检测中。校准曲线在1.0～75.0μ g/L范围内呈良好的线性关系，检出限达到0.3μg/L。核壳纳米颗粒利用其不同于传统材料的优良性质，在作为标记物中体现了其特殊的光学性质、催化性质等，极大提高了生物传感器的各项性能，提高响应灵敏度，提高抗干扰能力。3生物传感型核壳颗粒的制备3.1溶胶凝胶法溶胶凝胶法是合成纳米复合颗粒的一种重要方法。在含有聚合物共溶剂体系中，使得烷氧金属或金属盐等前驱物水解和缩合。如果条件控制得当，在凝胶形成与干燥过程中聚合物不发生相分离，即可获得。这种方法具有成本低、工艺简单、组分易于控制等优点。溶胶凝胶法在半导体/SiO2纳米复合材料的制备与结构控制方面具有重要作用，该方法设备简单、反应温度低，可制备其它方法难以制备的化合物。Jayasankar等14用一种简单的溶胶凝胶方法合成氧化铝钛酸铝核壳结构。这种方法在控制复合颗粒的粒径大小、低温合成及烧结等方面效果显著。在氧化铝基中低温合成钛酸铝归因于试剂间大的接触面积。该方法晶粒生长不明显，且具有很好的增浓作用。3.2沉积法沉积法是指将金属快速散射于预定的表面上，而聚合物可以直接加热蒸积到衬底上，也可以是一般单体或聚合物材料经高温热解产生出可聚合性单体散射于衬底聚合而得，可以与金属散射同时聚合，也可以先行聚合再处理。Sathish等15通过沉积法合成AuTiO2复合颗粒。如果用CdS修饰TiO2纳米管阵列，反应生成的CdS晶粒在衬底上的沉积过程实质是一个表面吸附成核的过程。在光滑的薄膜表面上吸附能力较弱，成核密度较低；反之，表面适当粗糙的衬底，却有较强的活性和吸附能力，成核密度高16。Flores等17制备了SiO2Ag核壳纳米颗粒，用直径为(4±2)nm的Ag纳米颗粒包覆直径为(50±10)nm的Si纳米微球。在水/乙醇混合液中，原硅酸四乙酯作为硅源，将AgNO3作为Ag的来源而并未加入交联剂，在制备过程中，将溶液中的Ag+转化为Ag纳米颗粒沉积在Si微球表面，形成了均一的核壳结构纳米微球。Shishkanova等18将聚苯胺沉积在聚乙烯表面，用来控制聚合膜的厚度。在聚N乙烯吡咯烷酮存在的条件下，苯胺的氧化是在分散态下进行的。 3.3原位聚合法原位聚合法也称就地聚合。即在柔性聚合物或其单体中溶有刚性聚合物单体后，再就地聚合，生成的刚性聚合物分子均匀地分散在柔性聚合物基体中，从而形成分子复合材料。原位聚合在很大程度上提高了纳米粒子在聚合物基体中的分散性，提高了聚合物复合材料的力学性能。在合成核壳颗粒过程中，壳层的交联剂含量对粒子的尺寸的影响很大。任现文等19用原位聚合法成功地制备出不同响应温度的温敏性聚乳酸/聚异丙基丙烯酰胺co丙烯酰胺核壳胶束。实验中当交联剂的摩尔分数从5%提高到15%时，粒子在25℃下的流体力学直径从170.2nm增加到886.5nm。Liu等20用原位聚合法合成了SiO2/聚吡咯核壳颗粒，聚吡咯微球的壳厚度是可以控制的。Jing等21采用原位化学氧化聚合法合成了Ag/聚苯胺的核壳结构。Liu等22用原位氧化聚合法合成了聚苯胺（ATPPANI）核壳颗粒，并研究了HCl浓度的影响以及ATPPANI复合颗粒的导电性能。核壳颗粒的壳厚度很容易通过过程参数来控制，如单体浓度和热水温度等。Luo等23等将聚苯胺原位聚合到Si纳米颗粒上，形成核壳结构，更容易吸附辣根过氧化物酶，同时也增大了活性电极表面积。3.4自组装技术自组装是指组装单元通过非共价键作用自发形成热力学稳定且具有明确有序结构的聚集体的过程，自组装技术制备的核壳式微球，其壳层形成的驱动力是中心粒子和壳层间所带的相异电荷，或是相邻壳层间相异电荷的静电引力，实现物理吸附。也可以引发层间的化学反应产生交联，提高了壳层的稳定性。宋秀芹等24采用逐层自组装方法在二氧化硅球表面交替组装了十二烷基硫酸钠单分子膜和TiO2纳米粒子膜，该复合多层膜经高温煅烧得到了核壳型纳米结构TiO2/SiO2复合颗粒。利用Ｘ射线、扫描电镜、X射线能谱等对复合颗粒进行了表征。结果表明：TiO2在复合颗粒表面排列紧密、均匀，粒径约50nm，复合颗粒中TiO2的含量随组装层数的增加而均匀增加。Au/C25，CdS/聚电解质26等核壳颗粒都可通过自组装方式合成。Bizdoaca等27用自组装的方法合成核壳颗粒，由640nm直径聚苯乙烯微球核以及5层12 nm直径Fe3O4纳米晶体组成。Yang等28通过层层自组装技术合成生物功能化的荧光微球，用于免疫检测分析。首先将多层荧光标记的聚电解质覆盖在胶体颗粒上，再包覆上蛋白质层，实验结果显示其具有很好的效果。Chen等29制备了以聚苯乙烯为核，将4乙烯基吡啶/Au自组装在核表面形成核壳结构，表面组合颗粒具有更高的催化活性和接触反应效率。gFe2O4SiO2利用磁力固定在碳糊电极上，构造苯酚生物传感器，采用循环伏安法等电化学手段对苯酚进行检测。,.freel.,2008,391(2):679～685６YangMH,YangY,YangHF,ShenGL,YuRQ.Biomaterials,2006,27(2):246～255７CaiH,,JelenF.Bioelectrochemistry,2002,56(12):85～90９DuanJingHua(段菁华),in(王柯敏),TanoYuanYao(莫远尧).Chem.J.ChineseUniversities(高等学校化学学报),2003,24(2):255～259１０CaiH,ZhuNN,JiangY,HePG,FangYZ.Biosens.Bioelectron.,2003,18(11):1311～1319１１HuangCP,LiuH.SensorActuatBChem.,2005,108(12):713～720１２HuangCP,LiYK,ChenTM.Biosens.Bioelectron．，2007,22(8):1835～1838１３XuH,ZhangZJ.FoodChem.,2007,105(4):1623～1629１４JayasankarM,AnanthakumarS,MukundanP,adhavanJ,MaruthamuthuP,AshokkumarM.,CrespoD,CalderónMorenoJM.J.NonCrystSolids,2008,354(5254):5435～5439１８ShishkanovaTV,MatějkaP,KrálV,eděnkováI,TrchováM,StejskalJ.AnalChimActa.,2008,624(2):238～246１９RenXianing(江明).Chem.J.ChineseUniversities(高等学校化学学报),2006,27（12）:2422～2425２０LiuXH,T.MaterChem.Phys.,2008,109(1):5～9 ２１JingSY,XingSX,YuLX,ater.Lett.,2007,61(13):2794～2797２２LiuYS,LiuP,SuZX.SyntheticMet.,2007,157(1315):585～591２３LuoXL,AnthonyJK,AoifeM,MalcolmRS.Electrochim.Acta,2007:1865～1870２４SongXiuQin(宋秀芹),ZhangXueHong(张雪红),,FarleM,HilgendorffM,CarusoF.J.Magn.Mater.,2002,240(13):44～46２８Yang,LiuYL,YangHF,YangY,ShenGL,YuRQ.Anal.Chim.Acta,2005,533(1):3～9３２,TangL,HuangDL,JiangXY,ChenYN.BiosensBioelectron.,2007,22(910):2121～2126３４QiuJD,PengHP,LiangRP.Electrochem.mun.,2007,9(11):2734～2738３５Yan,ChenXJ,LiXH,ZhuJJ.Bioelectrochemistry,2008,72(1):21～27３６EndoT,YamamuraS,KermanK,TamiyaE.Anal.Chim.Acta,2008,614(2):182～189３７HuangHing(曾光明),TangLin(汤琳),GaoHui(高慧),LiJianBing(李建兵).ChineseJ.Anal.Chem.(分析化学),2008,36(1):122～126