基于纳米金银颗粒的生物传感器体系研究进展

1.​引言

重金属离子（如汞、铅、镉等）对环境和人体健康的危害日益凸显，传统检测方法（如原子吸收光谱法、原子荧光光谱法等）虽精确但操作复杂、成本高且难以实现现场快速检测。纳米金银颗粒因其独特的光学性质和高灵敏度，成为新型检测技术的重要基础。其在生物传感领域的应用研究已成为热点，特别是在比色传感、SERS、荧光传感和电化学生物传感体系中展现出广阔的应用前景。

2.​金银纳米材料的概述

2.1 概念与分类

金银纳米材料是指由金（Au）或银（Ag）组成的纳米尺度材料（ （1^～100 纳米）。根据形态和组成，可分为金纳米粒子、银纳米粒子、金银合金纳米粒子、金银核壳结构纳米粒子等，形态包括球状、棒状、海胆状、立方状、多孔状、纳米笼状等。这些不同形态的纳米材料在生物传感中具有不同的应用优势。

2.2 制备与特性

2.2.1 制备方法

金银纳米材料的制备方法多样，主要包括物理法（如溅射法、激光蒸发法）、化学法（如化学还原法、电化学法）和生物法（如微生物还原法）。其中，化学还原法因其操作简便、成本低廉而被广泛应用。通过添加剂或表面修饰剂调控（如尿素、辣根过氧化物等）、电化学调控、模板法调控等方法，可精准调控纳米颗粒的形貌和尺寸，从而优化其在生物传感中的性能。

2.2.2 特性

金银纳米材料的物理、化学和光学性质显著区别于普通块状材料。其物理性质包括熔点降低、比热容增大、电导率和热导率变化等；化学性质表现为高稳定性和易于表面修饰；光学性质则以强烈的光吸收和散射能力以及独特的表面等离子体共振（SPR）效应为特征。这些特性使其在光学传感、光催化、生物医学成像等领域具有广阔应用前景。

3.​基于金银纳米颗粒的生物传感器

3.1 表面增强拉曼散射（SERS）体系

3.1.1 SERS 原理

SERS 是一种分子振动光谱技术，通过检测分子在特定条件下的拉曼散射光强度来获取分子结构信息。当分子吸附在金银等贵金属纳米颗粒表面时，其拉曼散射光强度会极大增强，这种现象被称为表面增强拉曼散射。SERS 的增强机制主要包括物理增强（基于表面等离子体共振现象）和化学增强（与基底和吸附分子之间的电荷转移有关）。

3.1.2 研究进展

SERS 技术自 1974 年被发现以来，迅速在材料科学、分析化学和生物科学等领域展现出广阔的应用前景。金银纳米颗粒作为 SERS 检测基底，具有高灵敏度、高分辨率、使用寿命长、快速简便等特点，广泛应用于食品检测、农药检测、水质检测以及生物分子（如DNA、核酸、细菌等）的定量定性检测。此外，SERS 生物传感器在疾病诊断中也具有潜在应用价值，例如通过检测患者体液中的特定生物标志物实现疾病的早期诊断和监测。

3.2 荧光传感体系

3.2.1 荧光增强与淬灭

当荧光团被放置在具有强等离子体场的金属纳米颗粒附近时，其荧光发射可能会发生显著变化。荧光分子距金纳米颗粒表面小于 5 纳米时，荧光几乎完全猝灭，这是因为发生了非辐射能量转移（Förster 共振能量转移，FRET）。然而，随着间距增大，荧光强度会显著提升，这是因为金银纳米颗粒凭借独特的表面等离子体共振效应，能够显著放大粒子表层附近的局域电磁场强度，从而增强荧光信号。

3.2.2 研究进展

表面增强拉曼散射（SERS）、荧光传感和电化学生物传感体系的工作原理、应用现状及最新研究进展，并对未来发展方向进行了展望。研究旨在为纳米金银颗粒在生物传感检测领域的应用提供理论支持和技术参考。

金银纳米颗粒在荧光检测中的应用可追溯至 20 世纪 70 年代初。早期研究中，纳米金颗粒被用于生物分子检测，展示了其在生物传感领域的巨大潜力。近年来，基于金银纳米材料的荧光传感体系在环境监测和生物分子检测中展现出广泛应用前景。例如，金纳米团簇的荧光强度通常高于传统有机荧光染料，可用于检测重金属离子（如 Hg²⁺） 。此外，荧光传感体系还可用于检测谷胱甘肽、半胱氨酸等生物分子，以及博莱霉素、喹诺酮类药物等生物活性物质。

3.3 电化学生物传感体系

3.3.1 电化学生物传感原理

电化学生物传感器由生物材料作为敏感元件，电极作为转换元件，以电势或电流为检测信号。其工作原理包括生物分子识别、信号转换和信号检测三个步骤。金银纳米颗粒具有良好的导电性和生物相容性，可修饰其他介质形成复合材料作为敏感组件，当目标生物分子与修饰在电极上的金银纳米颗粒结合时，会引起电极表面电荷分布的变化或电化学反应的速率变化，从而实现电化学传感。

3.3.2 研究进展

自 1967 年第一支生物体成分为敏感膜的电化学电极（葡萄糖酶电极）问世以来，电化学生物传感器的发展迅速。近年来，纳米金银等纳米材料在电化学传感器中的应用受到广泛关注。纳米金银常被用于制备电极或修饰电极表面，提高电极的导电性和生物相容性，从而增强传感器的灵敏度和稳定性。此外，纳米材料形貌的调整也可发挥增强电信号的效果。近年来，复合电极的合成成为研究热点，例如，基于 Zr 金属有机框架（MOFs）@ 聚乙烯亚胺（PEI）@AuAg纳米团簇（NCs）的多功能纳米复合材料，结合 DNA Walker 和核酸外切酶实现了高效的DNA 循环双扩增过程，可用于双miRNA 的同时快速检测。

3.4 比色传感体系

3.4.1 LSPR 特性

纳米粒子的表面等离子体共振效应（SPR）是由金属纳米颗粒中所有导带电子的相干振荡所引起。当金属纳米材料被入射光激发时，会引起金属纳米粒子表面电子的集体振荡，产生局域表面等离子体共振效应（LSPR）。LSPR的表面增强效应可以使纳米颗粒表面的局域电场增强局部光场，从而使纳米材料表现出较强的吸收和特定的颜色。基于LSPR 现象的传感器无需标记，具有无污染、实时、高灵敏度的特点，广泛应用于生物检测、疾病诊断等领域。

3.4.2 研究进展

金银纳米颗粒的比色检测应用可追溯至 19 世纪中期。法拉第在 1857 年发现，向含纳米金的溶液中加入少量电解质后，溶液的颜色会发生变化，这一发现为金银纳米颗粒在比色分析中的应用奠定了基础。近年来，基于金银纳米颗粒的比色传感器在生物标志物检测和重金属离子检测中展现出广泛应用前景。例如，基于寡核苷酸功能化金银合金纳米颗粒的比色 DNA 检测方法可用于检测与癌症发展相关的基因序列。此外，金银纳米颗粒的比色检测还广泛应用于环境监测、食品安全等领域。