生物傳感器裝置由其生物或受生物啟發(fā)的受體單元定義，對相應的分析物具有獨特的特異性。這些分析物通常具有生物學起源，例如細菌或病毒的DNA或從被感染或受污染的生物體的免疫系統(tǒng)（抗體，抗原）產生的蛋白質。當具有特定特異性的生物受體單元可用時，此類分析物也可以是簡單的分子，例如葡萄糖或污染物。生物傳感器開發(fā)中的許多其他挑戰(zhàn)之一是生物識別事件（轉導）的有效信號捕獲。這種換能器將分析物與生物元素的相互作用轉化為電化學，電化學發(fā)光，磁，重量或光學信號。為了增加靈敏度并降低甚至單個分子的檢測限，納米材料是有希望的候選物，因為它有可能以減小的體積固定增加量的生物受體單元，甚至自身充當轉導元件。在此類納米材料中，對金納米顆粒，半導體量子點，聚合物納米顆粒，碳納米管，納米金剛石和石墨烯進行了深入研究。由于該研究領域的巨大發(fā)展，本文以非窮盡的方式總結了納米材料的優(yōu)勢，重點關注的是納米物體，這些物體比“僅僅”增加表面積提供了更多的有益特性。納米材料是有希望的候選物，因為它有可能以減小的體積固定更多數量的生物受體單元，甚至可以自己充當轉導元件。在此類納米材料中，對金納米顆粒，半導體量子點，聚合物納米顆粒，碳納米管，納米金剛石和石墨烯進行了深入研究。由于該研究領域的巨大發(fā)展，本文以非窮盡的方式總結了納米材料的優(yōu)勢，重點關注的是納米物體，這些物體比“僅僅”增加表面積提供了更多的有益特性。納米材料是有希望的候選物，因為它有可能以減小的體積固定更多數量的生物受體單元，甚至可以自己充當轉導元件。在此類納米材料中，對金納米顆粒，半導體量子點，聚合物納米顆粒，碳納米管，納米金剛石和石墨烯進行了深入研究。由于該研究領域的巨大發(fā)展，本文以非窮盡的方式總結了納米材料的優(yōu)勢，重點關注的是納米物體，這些物體比“僅僅”增加表面積提供了更多的有益特性。
介紹
像在許多不同的技術領域一樣，納米材料已經證明了其在生物傳感應用中的適用性。此類納米物體的智能使用顯著提高了性能，同時提高了靈敏度并降低了幾個數量級的檢測極限。所有納米材料的一個普遍優(yōu)勢是高比表面，因此已經能夠固定數量增加的生物受體單元。然而，持續(xù)的挑戰(zhàn)之一是用于將生物特異性實體緊密結合到此類納米材料上的固定策略。因此，用于固定酶的技術是開發(fā)可靠的生物傳感器的關鍵因素之一。
在參考文獻中總結了納米材料生物功能化的有效方法（Putzbach和Ronkainen，2013年）。簡而言之，非共價方法代表了納米材料與生物實體之間的靜電相互作用，π-π堆積，聚合物中的陷獲或范德華力。這些原則保留了納米材料和生物分子的所有特定特性。
共價結合：將共價生物分子附著到納米材料上的策略在表面功能化的穩(wěn)定性和可重復性方面具有優(yōu)勢，并降低了非特異性的物理吸附。共價鍵可以例如通過經典的酰胺偶聯(lián)反應，交聯(lián)或點擊化學形成。一個缺點是生物分子的不受控制的錨定會影響負責識別事件的域。
通過超分子或配位相互作用固定生物分子：這項技術近年來在將生物物種結合到表面上已獲得廣泛認可。在生物傳感器工程領域中使用的最著名的例子是生物素/抗生物素蛋白（或抗生蛋白鏈菌素）系統(tǒng)（Wilchek and Bayer，1988）。生物素化的生物分子可以通過親和素（或抗生蛋白鏈菌素）橋連接到生物素化的底物。已經報道了其他親和系統(tǒng)，如次氮基三乙酸（NTA）/ Cu 2+ /組氨酸復合物（Haddour等，2005）或宿主-客體系統(tǒng)金剛烷/β-環(huán)糊精（Holzinger等，2009）。）。與其他固定方法相比，此類系統(tǒng)的優(yōu)勢是可逆性，從而可以重新生成換能器元件。此外，所有功能部件（例如功能化換能器表面和修飾的生物受體）都可以單獨表征，以確保所構建生物傳感器的可重復性。
根據化學成分，幾乎所有的納米材料都可以通過直接官能化（在某些情況下已經在合成過程中）或通過涂覆功能性聚合物而不影響其特定性能而具備適當的功能（Biju，2014年）。這種功能化不僅允許生物受體單元的可再現固定，而且還可以提高這些材料的生物相容性。
生物傳感設備中的一個特殊問題是識別事件無法通過使用的轉導技術直接檢測到。親和性生物傳感器就是這種情況，例如抗原與其抗體之間的免疫反應或相應的DNA鏈雜交。在此，必須使用經過標記修飾的其他生物特異性成分（二級抗體或DNA鏈），以進行光學或電化學轉導。某些納米材料的特定特性顯然有助于“無標記”轉導技術的發(fā)展，或者在用作標記時有助于清晰的信號放大。
金納米顆粒
在貴金屬納米粒子組中，金納米粒子由于其生物相容性，其光學和電子特性以及相對簡單的生產和修飾而最常用于生物傳感器應用（Li等，2010a）（Biju，2014年）。
特別令人感興趣的是金表面的光學行為，其中一種特定波長的光照射會引起導帶中電子的振蕩，這被稱為共振表面等離子體激元。當粒徑遠小于入射波長時，振蕩電子將無法沿表面?zhèn)鞑?，就像經典表面等離子體共振（SPR）裝置那樣。然后，電子密度在粒子的一側極化，在該一側，等離子體激元與光頻率發(fā)生共振振蕩（圖1）。這種現象用米氏理論（Mulvaney，1996；Hao等，2004）描述，并且強烈依賴于納米粒子的大小，形狀和環(huán)境的介電常數（Kelly等，2002）。這種環(huán)境依賴性對于（生物）分析而言是一個巨大的優(yōu)勢，因為識別事件可能導致振蕩頻率發(fā)生變化，從而導致肉眼可觀察到的金納米顆粒的顏色發(fā)生變化。在這種情況下，開發(fā)了一系列有效的比色生物傳感器用于DNA或寡核苷酸檢測或免疫傳感器（Reynolds等，2000；Oldenburg等，2002；Liu和Lu，2004；Xu等，2009）。
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