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摘 要

近年来，纳米材料在生物传感器中的应用取得了很大进展。已经认识到这些对于生物传感器的基本发展的重要性。特别是，纳米材料，如金纳米粒子，碳纳米管，磁性纳米粒子和量子点，已经在生物传感器中的应用中得到了积极的研究，生物传感器已经成为生物检测和材料科学之间新的跨学科前沿。在这里，我们回顾了过去几年该领域的一些主要进展，探索应用前景，讨论问题，方法和挑战，旨在激发人们对开发基于纳米材料的生物传感器的广泛兴趣并改进其应用在疾病诊断和食品安全检查。

关键词：生物传感器; 纳米技术; 金纳米粒子; 碳纳米管; 量子点; 磁性纳米粒子

Abstract: In recent years there has been great progress the application of nanomaterials in biosensors. The importance of these to the fundamental development of biosensors has been recognized. In particular, nanomaterials such as gold nanoparticles, carbon nanotubes, magnetic nanoparticles and quantum dots have been being actively investigated for their applications in biosensors, which have become a new interdisciplinary frontier between biological detection and material science. Here we review some of the main advances in this field over the past few years, explore the application prospects, and discuss the issues, approaches, and challenges, with the aim of stimulating a broader interest in developing nanomaterial-based biosensors and improving their applications in disease diagnosis and food safety examination.

Keywords: Biosensor; nanotechnology; gold nanoparticle; carbon nanotubes; quantum dots; magnetic nanoparticles

目录

1 前言 3

2 纳米材料在生物传感器中的应用 4

2.1 金纳米粒子在生物传感器中的应用 4

2.2 CNTs在生物传感器中的应用 7

2.3 磁性纳米粒子在生物传感器中的应用 10

2.4 QD在生物传感器中的应用 10

2.5 其他纳米材料在生物传感器中的应用 12

3 纳米材料生物传感器的潜在应用 13

3.1 基于纳米材料的生物传感器检测葡萄糖 13

3.2 基于纳米材料的生物传感器用于检测DNA和蛋白质 13

3.3 基于纳米材料的生物传感器用于检测其他分子 14

结论 15

参考文献 16

致谢 18

前言

生物传感器是包含紧密连接或集成在换能器内的生物传感元件的装置。特定分子识别互补结构，例如酶 - 底物，抗体 - 抗原和受体 - 激素之间亲和力的基本前提，并且生物传感器中的这种性质用于产生浓度比例信号。生物传感器的选择性和特异性高度依赖于连接到合适换能器的生物识别系统^[1-2]。生物传感器是一门由物理，化学，生物，医学，电子技术等多种学科互相发展成长起来的高新技术，因其选择性好，灵敏度高，分析速度快，成本低，在复杂的体系中进行在线连续监测，特别是它的高度自动化，微型化与集成化的特点，使其在近年来获得科学家的重视并飞速发展。

纳米材料是在微观世界和宏观物体的临界区域，在一个典型的介观系统。这表明，与传统常规材料不同的许多特殊性能。五种的效果，如表面效应，宏观量子隧道效应，量子尺寸效应，小尺寸效应和介电限域效应，是纳米材料的基本特征，并且也是主要的原因纳米材料是优于传统的常规材料。这些效应使纳米材料显示出优异的机械，电，磁，thermoblood，光学，化学，催化超导性和良好的材料的亲和性。除了其独特的五个基本特性，纳米材料还具有特殊的光学特性。。例如，基于纳米材料的生物材料代表材料科学，分子工程，化学和生物技术的整合，这可以提高显著生物分子检测的灵敏度和特异性。这些性能使得纳米材料在生物传感器的构建中具有非常重要的应用前景^[3]。纳米材料还具有检测或操纵原子和分子的能力，并具有很大的潜力。生物分子识别，病原学诊断和环境监测等应用^[4-6]。

纳米技术和生物技术是21世纪的两个重要的科学技术。近年来，已交织的纳米生物传感技术已成为前沿技术的研究。在过去的十年中，大量的纳米材料已应用于生物传感器和长足的进步已经取得进展。这些新的检测方法更敏感，更有选择性，更灵活，比传统方法更实用。纳米传感器的免标记，实时监测，高灵敏度和高选择性的他点使其在很多领域都会有着广泛的应用，随着纳米技术与生物传感技术的进一步成熟，相信在不远的未来，纳米技术会被更广泛的应用于生物传感技术之中，从而更好的造福人类。

在这里，我们回顾了过去几年该领域的一些主要进展，探索应用前景，并讨论问题，方法和挑战，旨在激发人们对开发基于纳米材料的生物传感器技术的广泛兴趣，不断的完善和探索，不断的创新，造福人类社会。

2 纳米材料在生物传感器中的应用

迄今为止，现代材料科学已经达到了很高的复杂程度。由于在亚微米和纳米尺度上合成和控制材料的不断进步，可以创建具有定制特性的新型先进功能材料。当缩小到纳米尺度时，大多数材料表现出不能从其整体行为推断出的新特性。材料科学与生物学之间的跨学科界限已成为新科学技术发展的沃土。为了制造有效的生物传感器，选择用于分散传感材料的基板决定了传感器的性能。各种纳米材料，如金纳米粒子，碳纳米管（CNTs），磁性纳米粒子和量子点，由于其独特的物理，化学，机械，正在逐步应用于生物传感器。磁性和光学性质，显着提高检测的灵敏度和特异性。

2.1 金纳米粒子在生物传感器中的应用

金纳米粒子（GNP）在可见区域显示出强吸收带，这是由于金属导带电子在与可见光频率的强共振中的集体振荡，这被称为表面等离子体共振（SPR）。有几个参数会影响SPR频率。例如，纳米颗粒的大小和形状，表面电荷，周围介质的介电常数等。通过将金纳米颗粒的形状从球形改变为棒状，新的SPR光谱将呈现两个吸收带：可见光中的短波长较弱由于电子的纵向振荡，由于横向电子振荡和在NIR中具有更强的长波段的区域。纵横比的变化可以极大地影响金纳米棒（GNRs）的吸收光谱。同样，增加纵横比可导致纵向SPR吸收带红移。不同的GNP结构显示不同的属性。与金纳米粒子结合探针相比，金纳米线功能化探针可以避免生物分子从复合薄膜中泄漏，增强传感器的稳定性。这种有趣的现象在生物传感器等实际应用中将非常有益。

图1. 吸收光谱，说明鱼精蛋白诱导的聚集和肝素驱动的AuNP解聚。（a）仅AuNP；（b，c）加入鱼精蛋白后：（b）0.7 μg/ ml和（c）1.6 μg/ ml;（d）加入肝素（10.2 μg/ mL）后。插图显示了相应的色度响应^[7]。

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