生物傳感器是目前生命科學及臨床醫學測試方法研究中最為活躍的領域之一，而納米材料則被認為是跨世紀材料研究領域的熱點，有“21世紀最有前途的材料”的美譽，受到國內外普遍重視，進入21世紀后，納米材料和納米科技的迅猛發展為新型生物傳感器的研制提供了難得的機遇。納米生物傳感器是納米材料、納米科技與生物傳感器的融合，其研究涉及到生物技術、信息技術、納米科學、界面科學等多個重要領域，因而成為國際上的研究前沿和熱點。

一、生物傳感器

生物傳感器是一類特殊形式的傳感器，是一種對生物物質敏感并將其轉換為聲、光、電等信號進行檢測的儀器。生物傳感器具有接受器與轉換器的功能，由識別元件 (固定化的生物敏感材料，包括酶、抗體、抗原、微生物、細胞、組織、核酸等生物活性物質)、理化換能器 (如氧電極、光敏管、場效應管、壓電晶體等) 和信號放大裝置構成。生物傳感器技術是一個非常活躍的工程技術研究領域，它與生物信息學、生物芯片、生物控制論、仿生學、生物計算機等學科一起處在生命科學和信息科學的交叉區域，是發展生物技術必不可少的一種先進的檢測與監控裝置。與傳統的分析方法相比, 具有以下特點：

1)體積小、響應快、準確度高，可以實現連續在線檢測；

2)一般不需進行樣品的預處理，可將樣品中被測組分的分離和檢測統一為一體，使整個測定過程簡便、迅速，容易實現自動分析；

3)可進行活體分析；
4)成本遠低于大型分析儀器，便于推廣普及。

生物傳感器有許多種分類方式：

1)根據生物活性物質的類別，生物傳感器可以分為酶傳感器、免疫傳感器、DNA傳感器、細胞傳感器、組織傳感器和微生物傳感器等；

2)根據檢測原理，生物傳感器可分光學生物傳感器、電化學生物傳感器和壓電生物傳感器等；

3)按照生物敏感物質相互作用的類型分類，可分為親和型和代謝型2種；

4)可根據所監測的物理量、化學量或生物量而命名為熱傳感器、光傳感器和胰島素傳感器等。

生物傳感器的應用，涉及到醫療保健、疾病診斷、食品檢測、環境監測、發酵工業等領域。

二、納米材料

納米材料具有小尺寸效應、表面效應、量子尺寸效應及宏觀量子隧道效應等，使得其表現出奇異的化學物理性質。納米粒子作為一種常用的納米材料，具有制備方法簡單、尺寸可控、表面易于修飾、表征簡便等優點，在分析化學領域得到了廣泛的應用。

納米材料的特點與傳感器所要求的多功能、微型化、高速化相對應。另外，作為傳感器材料，還要求功能廣、靈敏度高、響應速度快、檢測范圍寬、選擇性好等優點，納米材料能較好地符合上述要求。納米材料引入生物傳感器領域后，提高了生物傳感器的檢測性能，并促發了新型的生物傳感器。納米材料的獨特的化學和物理性質使得其對生物分子或者細胞的檢測靈敏度大幅提高，檢測的反應時間也得以縮短，并且可以實現高通量的實時檢測分析。其中納米金和磁性納米顆粒在生物傳感器中的應用尤其受到關注。

1、金屬納米材料

金屬納米材料良好的電子傳遞性能使其成為電化學生物傳感器中最為常用的納米材料之一，其中尤以納米金的應用最為廣泛。納米金制備簡單、性狀穩定、生物相容性良好，而且易于進行表面化學修飾，因此，利用納米金與生物分子進行組裝并介導電子傳遞，是構建電化學生物傳感器的良好方案。

納米金在生物傳感器中的應用，主要集中在利用納米粒子做探針載體、信號分子等方面。

1.1探針載體

納米金能迅速、穩定地吸附核酸、蛋白質等生物分子，而這些生物分子的生物活性幾乎不會發生改變，所以納米金具有優良的生物相容性，可以作為生物分子的載體。

1.2信號分子

納米金能廣泛地應用于DNA、抗體和抗原等生物物質的標記，使得納米金與生物活性分子結合后形成的探針可用于生物體系的檢測中，納米金在可見區有特征等離子體共振吸收，其吸收峰的等離子共振常隨著尺寸的變化而發生頻移，其溶液的顏色從橘紅色到紫紅色發生相應變化，有利于肉眼觀察。

用納米金不僅可以作為光學標記，同時還可以作為很好的電學標記。金本身是非常優良的導電材料，具有優異的電化學性質，可作為電化學傳感器的指示劑。用納米金作為信號分子能顯著提高電化學傳感器的檢測靈敏度，而且這種方法儀器簡單、無污染、檢測穩定可靠、靈敏度高。

納米金顆粒有著優異的化學和物理性能，有著極高的比表面積，有利于提高生物分子的吸附能力，并能提高生化反應的速度，因此被廣泛用于生物分析。納米金的優異性能使得其在生物醫學、分子生物學等生物標記分析領域中具有廣泛而重要的應用。

2、碳納米管

自從1991年首次被報道以來，碳納米管（carbonnanotubes，CNTs）可以說是被研究得最多的納米材料。與納米金一樣，CNTs同樣也具備極好的電子傳遞能力、蛋白質的高負載能力以及良好的生物相容性，而且，由于 CNTs 本身的物質基礎就是碳，因此其功能化將更為方便和多樣。此外，由于CNTs為一維納米材料，意味著CNTs在電極表面的組裝將呈現網絡狀。

碳納米管有著優異的表面化學性能和良好的電學性能，是制作生物傳感器的理想材料。無論是單壁碳納米管還是多壁碳納米管在生物傳感器中都有應用，如利用碳納米管改善生物分子的氧化還原可逆性、利用碳納米管降低氧化還原反應的過電位、利用碳納米管固定化酶、利用碳納米管進行直接電子傳遞、用于藥物傳遞和細胞病理學的研究等。碳納米管還適用于做原子力顯微鏡的探針尖，在碳納米管頂端修飾上酸性基團或堿性基團，就可以作為原子力顯微鏡針尖來滴定酸性或堿性基團。納米管羧基化后可以進一步衍生化，實現與酶、抗原/抗體和脫氧核糖核酸（DNA）等分子的結合，制備出各種生物傳感器。

需要提出的是，由于CNTs難以具備納米金那樣良好的形態分布，因此對有序的表面組裝提出了挑戰。另外，大多數蛋白質的尺寸都屬于零維的納米級，因此在一維的CNTs表面組裝相對而言缺少靈活性。出于這些考慮，將CNTs與零維的納米顆粒，如納米金、納米鉑等聯合運用，在一定程度上可以克服兩者在某些方面的缺陷，因而也是傳感器構建中的良好策略。

3、納米氧化物

除了具備納米材料共有的一些性質外，納米氧化物還依材料的不同具備一些特殊的效應，比如納米Fe3O4的磁效應。納米TiO2的光電效應等，而這些效應在新型生物傳感器的構建中可以產生一些意想不到的效果。納米 TiO2 是另一種具有特殊效應、光電效應的納米材料，由于具有極強的紫外線屏蔽能力和很高的表面活性，納米TiO2已經被大量用于污水處理消毒殺菌，以及在化妝品和涂料中防紫外線侵蝕。

納米 TiO2 是一種在光化學和生物化學領域中非常有發展前途的納米材料，其優良的生物相容性易于吸附生物分子的特性及良好的化學反應活性已在生物傳感領域得到廣泛應用。

磁性納米顆粒是近年來發展起來的一種新型材料 ,因磁性納米粒子具有特殊的超順磁性 ,因而在聚磁電阻、磁記錄、軟磁、永磁和巨磁阻抗材料等方面具有廣闊的應用前景。磁性納米材料還可結合各種功能分子，如酶、抗體、細胞、DNA或RNA等，使其在核酸分析、臨床診斷、靶向藥物、細胞分離和酶的固定化等領域有著廣泛的應用研究。在生物傳感器領域 ,磁性納米顆粒的應用為生物傳感器開辟了廣闊的前景，磁性納米顆粒能顯著提高生物傳感器檢測的靈敏度，實現生物分子的分離，提高了檢測的通量。

磁性納米顆粒在生物傳感器中的應用主要體現在生物活性物質的固定、分離和檢測。

3.1生物活性物質的固定

磁性納米顆粒的表面可很容易地包埋生物高分子，如多聚糖，蛋白質等形成核殼式結構。因此磁性納米顆粒可應用于酶、抗體、寡核苷酸和其他生物活性物質的固定。

3.2生物物質的分離

在磁性分離中，針對所要進行分離的生物物質如蛋白質、DNA序列、細胞、底物、抗原的特征，在超順磁性的納米粒子(如 5～100 nm的 Fe3O4 )的表面上修飾上各種氨基、羥基、羧基、巰基等功能基團。經修飾后的磁性納米粒子加入混合物后，能快速將靶向目標物結合到磁性顆粒表面，在外加磁場作用下，能被磁場吸引，與其他的物質分離。當撤去磁場后,磁性顆粒又可很快地均勻分散在溶液中。

3.3生物活性物質的檢測

磁性納米在實現生物分子的快速、實時和高通量檢測方面有著廣泛的應用前景。

4、量子點

量子點作為熒光標記物，已經被廣泛用于熒光示蹤，以金屬硫/硒/碲化物 Zn/Cd/Pb-S/Se/Te等為代表的量子點，一方面是很好的生物標記材料，另一方面，其中的金屬離子 Zn2+、Cd2+、Pb2+可用于陽極溶出伏安法檢測，從而提供電化學信號。

近來，量子點用于生物傳感器的研究備受關注。量子點是顯示量子尺寸效應的半導體納米微晶體，其尺寸小于相應體相半導體的波爾直徑，通常在2～20nm。量子點可用于細胞內的檢測，相比于傳統的熒光分子，量子點有3個主要的優點：量子點的發光波長可以簡單地通過調節其直徑大小而改變，這對應用非常重要；另外，量子點的發光波長比較窄，效率較高；更為重要的是，量子點沒有光漂白效應。這3個優點使量子點在生物分子探針和生物傳感器領域具有巨大的應用潛力。目前關鍵的問題在于如何對量子點表面進行有效的生化修飾,印度中央食品技術研究所研究人員利用碲化鎘（CdTe）量子點制備出的生物熒光探針，可用于食品、環境等目標分析物的高靈敏檢測。

5、復合納米材料

不同的納米材料各自具備一定的特性，在電化學生物傳感器的設計中使用單一的材料 難以充分發揮納米材料的性能，因此，同時使用多種納米材料成為一個解決方案。一種思 路是首先合成兩種或多種納米材料，然后在傳感器的構建中同時或在不同階段分別運用；另一種思路則是在納米材料的合成階段將不同的材料進行組裝，即合成復合納米材料，將不同納米材料的特性整合到一個納米復合體中。一個很好的例子是CNTs與金屬納米顆粒復合的材料，另一個例子則是合成核/殼結構的納米顆粒，而且這種做法目前更為常見。

6、納米光纖

隨著納米光纖探針和納米敏感材料技術逐步成熟，運用納米光纖探針和納米級識別元件檢測微環境中的生物、化學物質已成為可能，運用這種高度局部化的分析方法，能夠監測細胞、亞細胞等微環境中各成分濃度的漸變以及空間分布。光纖納米生物傳感器主要有光纖納米熒光生物傳感器、光纖納米免疫傳感器等，具有體積微小、靈敏度高、不受電磁場干擾、不需要參比器件等優點。

6.1光纖納米熒光生物傳感器

一些蛋白質類生物物質自身能發熒光，另一些本身不能發熒光的生物物質可以通過標記或修飾使其發熒光，基于此，可構成將感受的生物物質的量轉換成輸出信號的熒光生物傳感器。熒光生物傳感器測量的熒光信號可以使熒光猝滅，也可以使熒光增強可測量熒光壽命，也可測量熒光能量轉移。光纖納米熒光生物傳感器具有熒光分析特異性強、敏感度高、無需用參比電極、使用簡便、體積微小等諸多優點，具有廣泛的應用前景。

6.2光纖納米免疫傳感器
免疫傳感器是指用于檢測抗原抗體反應的傳感器，根據標記與否，可分為直接免疫傳感器和間接免疫傳感器；根據換能器種類的不同，又可分為電化學免疫傳感器、光學免疫傳感器、質量測量式免疫傳感器、熱量測量式免疫傳感器等。光學免疫傳感器是將光學與光子學技術應用于免疫法，利用抗原抗體特異性結合的性質，將感受到的抗原量或抗體量轉換成可用光學輸出信號的一類傳感器，這類傳感器將傳統免疫測試法與光學、生物傳感技術的優點集于一身，使其鑒定物質具有很高的特異性、敏感性和穩定性。而光纖納米免疫傳感器是在光學免疫傳感器基礎上將敏感部制成納米級，既保留了光學免疫傳感器的諸多優點，又使之能適用于單個細胞的測量。

三、結語
隨著納米技術和生物傳感器交叉融合的發展，涌現出越來越多的新型納米生物傳感器，如量子點、DNA、寡核苷配體等納米生物傳感器。這些生物傳感器的最顯著特點是快速、準確、靈敏，集多功能、便攜式、一次性于一身，不僅可以檢測細菌、病毒、蛋白質、酶、血糖、有毒有害小分子物質、重金屬離子等，甚至該還探尋到原子、分子內部（包括細胞內）進行實時單分子水平分析。但未來的新一代納米生物傳感器也面臨著諸多挑戰，如更高靈敏度、特異性、生物相容性、集成多種技術、檢測方法簡化、制備工藝、批量化生產、成本效益等。納米生物傳感器陣列或多種納米生物傳感器的集成，是生物傳感器的一個重要發展趨勢。分子自組裝加工工藝簡單可控，可以實現快速復制，而且成本較低，對生物傳感器的發展有很重要的促進作用，有利于高靈敏度、低成本、一次性納米生物傳感器的發展。而生物分子自組裝技術更值得關注，具有天然的生物兼容性、優異的結合性能，是生物傳感器發展的一個新領域。納米生物傳感器未來可廣泛滿足各種醫療診斷、藥物發現、病原體檢測、食品檢測、環境檢測、生物反恐和國家安全防御方面的需要，未來完全有可能替代當前的一些分析方法，并很可能成為生命科學分析的標準方法。