摘要：一維ZnO納米材料因其良好的生物兼容性和高等電點，在生物傳感器領域具有重要的應用優勢和研究價值。近年來不斷涌現的研究結果表明，納米結構ZnO在力學傳感、光學傳感、氣體傳感、生物分子檢測或DNA傳感方面均具有廣闊的應用前景。本文綜述了近年來一維ZnO納米材料的主流制備方法，并主要介紹了一維ZnO納米材料在酶傳感器、生物蛋白質傳感器、場效應管生物傳感器等方面的研究進展，探討了目前相關研究領域存在的主要問題。
關鍵詞：納米材料 ZnO 制備 生物傳感
Abstract: a d ZnO nanometer materials because of its good biological compatibility and higher electricity point, in the biological sensor area is important application of advantage and research value. In recent years the emerging the results of the study show that, nanometer ZnO structure in mechanical sensor, optical sensing, gas sensor, biological molecule detection or DNA sensing all has the broad application prospect. This paper reviewed recent ZnO nanometer materials one dimension of the mainstream of the preparation methods, and mainly introduces a d ZnO nanometer material in enzyme sensors, biological proteins sensors, mosfet biosensors research progress, and discusses the relevant research fields are the main problem.
Keywords: nanometer ZnO materials preparation biological sensors
中圖分類號：TU74 文獻標識碼：A 文章編號：
傳感器是一種能間接獲知外部世界信息的器件或系統，可用來作為人類感知器官的功能擴展和延伸。在人類文明進步發展的過程中，傳感器逐漸被用于探索人類感官無法直接企及的宏觀世界及微觀世界領域。生物傳感技術是一門由生物、物理、化學、醫學等多種學科互相滲透成長起來的高新科技，無論在科學研究還是工業生產中都起著重要作用，是當代傳感技術研究領域最活躍的內容之一。納米材料具有許多奇特的性能，如小尺寸效應、宏觀量子隧道效應、量子尺寸效應、表面效應等。近些年來，將納米材料引入生物傳感器中以提高其靈敏度和穩定性成為人們研究的熱點。
作為一種重要的寬禁帶半導體材料，無論在信息、光電及傳感領域ZnO都有著廣泛的應用前景。其在室溫下的禁帶寬度為3.37eV，而激子束縛能甚至高達60meV。專業領域將納米線和納米管稱為一維納米結構，研究發現一維Zn0納米結構具有無毒性、比表面積大、化學穩定性強等優勢，在此基礎上還具有良好的生物降解性和生物兼容性[1]。這意味著一維ZnO納米材料將逐漸從實驗室中的基礎研究走向應用。
1 一維ZnO納米材料的制備
作為納米技術的底層基礎，納米材料的制備方法至關重要。對于一維Zn0納米材料的制備，目前國內外普遍采用的方法主要為氣相法和液相法。由于一維納米材料生產取向、形貌及長度一致，又被稱為一維納米列陣結構。除了擁有納米基本的單元特性外，它還具有組合而引發的新效應，如量子耦合。因此，其制備方法與普通納米材料的制備相比，在完整性及功能性上要求更高。
1.1 氣相法
氣相法是指直接利用氣體或其他手段將物質變為氣態，使之發生物理或化學反應，最后在冷卻過程中凝聚形成納米微粒的方法。其中使用較多的為直接熱蒸發法、化學氣相沉積法和金屬有機化學氣相沉積法。
直接熱蒸發法的原理較為簡單：首先高溫蒸發源物質使其變為氣態，然后利用冷卻裝置將氣體凝結成納米微粒，最后將納米微粒有規律的排列生長成一維納米材料。利用此方法制備一維Zn0納米材料具有過程安全、不產生有毒有害物質的優勢，但是較難控制其微粒的直徑大小。相比之下，化學氣相沉積法由于在過程中涉及到化學變化，因此可通過調節溫度、壓強、催化劑等參數對一維Zn0納米材料的形貌、尺寸、取向進行有效控制，使材料的制備過程更加靈活可控[2]。區別于前兩種方法，金屬有機化學氣相沉積法所采用的反應源為金屬有機化合物，無論是對溫度的控制還是對反應物的控制都更加精確，利用此方法制備的一維Zn0納米材料的形態和取向性更好，同時避免了雜質的污染。但由于該方法的設備昂貴，增加了成本不利于大規模生產。
總而言之，利用氣相法制備一維Zn0納米材料，無論在形貌的控制力上還是對工藝參數的調節上都具有相當的優勢，是具有代表性的制備的一維Zn0納米材料的方法。
1.2 液相法
液相法是選擇一種或多種可溶性金屬鹽類，按所制備材料的組成計量配制成溶液，使各元素呈離子或分子態，再通過蒸發、升華、水解等操作，使金屬離子均勻沉淀或結晶出來，最后將沉淀或結晶的離子脫水或者加熱分解而形成納米微粒的方法。對于一維Zn0納米材料的制備常采用的是水熱法、電化學合成法和熱分解前驅物法。
水熱法是一種采用水或其他溶劑作為介質，在高溫高壓的環境中發生化學反應，使物質在溶液中結晶為納米顆粒的方法。此方法具有條件簡單、反應穩定、合成溫度偏低的優點，是目前制備高質量一維Zn0納米材料最常用的方法之一。電化學合成法是指在導電玻璃、硅片或其他基底上，將鋅鹽溶液通以恒電流從而沉積Zn0納米顆粒的過程。它利用的是氧化還原反應，由于可以調節鋅鹽溶液的濃度及弱堿程度，從而易于形成所需各種形貌及尺寸的一維Zn0納米材料。此方法較具有操作簡單、能耗低、過程可靠并且易于自動化管理的優勢，是合成一維Zn0納米材料的一種經濟有效的方式。熱分解前驅物法是將固體反應物充分研磨，然后通過加入適量的表面活性劑，在適當的溫度和壓強下使其分解獲得一維納米陣列。此方法設備簡單便于操作，關鍵在于表面活性劑的選擇和反應條件的控制。
相比于氣相法，液相法的主要優勢是設備簡單、過程安全、制備的納米列陣取向性好，從而具有相當的產業化前景。
2 一維ZnO納米材料在生物傳感領域的應用
使用納米Zn0制備的生物傳感器與一般的生物傳感器結構相似，都是由充當轉換器的一維Zn0納米結構和具有分子識別功能的生物敏感膜構成。我們可以利用其生物兼容性及高的表面體積比制成高靈敏度的生物傳感器;此外，還可以利用其納米線比表面積大、化學穩定性強的優點制成具有特殊功能的生物傳感器。
2.1 葡萄糖酶傳感器
葡萄糖生物傳感器一般用于檢測葡萄糖的濃度。決定此傳感器性能的關鍵在于葡萄糖氧化酶生物活性的保持和酶在電極上的固定程度。一維Zn0納米材料具有很高的電子傳輸速率，并且其等電點高于葡萄糖氧化酶的等電點。因此可通過將葡萄糖氧化酶通過靜電作用牢牢的固定在納米材料的表面。同時，這種傳感器還能夠很好保持葡萄糖氧化酶的生物活性，使探測效果更為準確。Zhang[3]等曾按照此種方法利用Zn0納米線性陣列固定葡萄糖氧化酶，通過實驗測得該傳感器的靈敏度高達23.1µAcm-2mM-1，而探測時間僅為5S。
2.2 生物蛋白質傳感器
眾所周知，蛋白質是生命的物質基礎。蛋白質傳感器可用于分析蛋白質與其他物質分子間的相互作用，在醫學領域具有很重要的地位。
Chen等[4]曾通過電化學合成法在熱塑性聚胺酯上生長一維Zn0納米陣列，并使用二疏基丁二酸對其表面進行修飾，從而使生物蛋白質更好的與Zn0納米棒結合。另外，沒有采用傳統的電化學和染色的檢測方法，而是利用光致發光譜檢測Zn0與蛋白質分子結合后光學性質的變化，從而對樣品的生物性能進行分析。為了研究電極修飾后的電流響應變化，張成林等[5]制備了以Zn0納米棒修飾的玻碳電極，通過研究血紅蛋白在該電極上的電化學反應過程發現其在修飾后的電極上具有良好的電流相應過程，并且響應電流與樣品濃度之間呈現良好的線性關系，如圖1所示。由此可見，一維納米結構的表面修飾可增加響應電流的強度從而提高傳感器的靈敏度。
2.3 場效應晶體管生物傳感器
場效應晶體管生物傳感器是將電子工藝與生物技術相結合的新型傳感器。它主要由感受器和場效應管構成，感受器主要用于分子識別，而場效應管則起著信號轉換的作用。Wang[6]等利用Zn0納米棒作為感受器的敏感膜，并對其結構進行了改良，將傳感器的源極和漏極置于2µm厚的聚甲基丙烯酸甲酯中。通過檢測發現，溶液中的電流滲漏明顯降低，從而提高了傳感器的靈敏度和穩定性。此類傳感器可用于藥物含量的測定及新型藥物的開發。
3 結論
本文給出了近年來制備一維Zn0納米材料的主流方法并對其在生物傳感領域的應用進行了研究及探索。結果表明，基于其其良好的生物兼容性及較高的激子束縛能，一維Zn0納米材料可直接或間接應用于生物傳感領域。引入一維Zn0納米結構后，傳感器的靈敏度、使用時間等各項指標均得到很大提高。但就目前的研究成果來看，這類傳感器的主要監測方法以電化學技術為主，器件的選擇性、重復性和可靠性尚須進一步提高。此外，其測試手段也較為單一，在傳統的電化學方法及染色檢測法的基礎上還可通過光譜分析進行檢測。綜上所述，一維Zn0納米材料在生物傳感領域必將具有十分廣闊的應用前景。
參考文獻
[1] Zhou J,Xu N S,Wang Z L.Dissolving Behavior and Stability of ZnO Wires in Biofluids:A Study on Biodegradability of ZnO Nanostructures[J].Adv Mater,2006,18:2432-2435.
[2] 伍林,曹淑超,易德蓮.納米顆粒增強酶生物傳感器性能的研究進展[J].生物技術通報,2006,1:30-32.
[3] Zhang A,Sun X W,et al.Enzymatic glucose biosensor based on ZnO nanorod array grown by hydrothermal decomposition[J].Appl Phys Lett,2006,89:123902.
[4] Chen S,Liu T,Lin C,et al.Biofunctional ZnO Nanorod Arrays Grown On Flexible Substrates[J].Apple Phys Lett,2006,88:233106.
[5] 張成林，劉梅川，李平.Fabrication of ZnO Nanorod Modified Electrode and Its Application to the Direct Electrochemical Determination of Hemoglobin and Cytochromec[J].Chinese Journal of Chemistry,2005,23:144-148.
[6] Wang J X,Sun X W,Wei A.Zinc oxide nanocomb biosensor for glucose detection[J].Appl Phys Lett,2006,88:233106.
