生物传感器(biosensor)是利用生物特异性识别过程来实现检测的传感器件。生物敏感元件包括生物体、组织、细胞、细胞器、细胞膜、酶、抗体、核酸等，而生物传感器是利用这些从微观到宏观多个层次相关物质的特异性识别能力的器件总称。纳米生物传感器(nanobiosensor)是纳米科技与生物传感器的融合，其研究涉及到生物技术、信息技术、纳米科学、界面科学等多个重要领域，并综合应用光声电色等各种先进检测技术，因而成为国际上的研究前沿和热点。一方面，其设计与开发涉及到很多基本科学问题，为基础研究提供了许多源头创新思路。另一方面，纳米生物传感器可能对临床检测、遗传分析、环境检测、生物反恐和国家安全防御等多个领域产生革命性的影响。正因为这样，世界各国及很多国际性公司纷纷拨巨资支持纳米生物传感器的研究，并吸引着众多领域的研究人员。
纳米生物传感器的信号传导方式主要包括光学、电学、力学、声学等。传统上光学检测是生物传感器的主流，然而近年来随着界面科学（如分子自组装技术）与纳米科学（如扫描探针显微镜）的发展，电化学纳米生物传感器获得了前所未有的发展机遇并引起了极大的关注。著名的Nature Biotechnology杂志曾在2000年评论说“电化学DNA分析时代到来了”。电化学检测技术不仅灵敏、快速，而且相对于常用的荧光检测技术来说其装置轻便、廉价、低能耗且易于微型化和集成化，符合手持式检测装置以及芯片实验室(lab-on-a-chip)的要求，因此被认为是在时效、成本等有较高限定要求的场合实现生物检测的首选技术之一。
发展迅猛应用广泛
科学家们已经在实验室中研制出无数种新型的纳米生物传感器，在此我们仅举几个典型的基因传感器的例子。一种是美国航空航天局（NASA）完成的电化学基因芯片。他们将DNA探针固定在碳纳米管阵列上，在探针捕获靶基因之后可以利用电化学方法探测鸟嘌呤碱基的电化学活性，实现对多种基因的快速检测。在这种传感器当中，碳纳米管阵列既可以作为一种良好的纳米载体又因为其卓越的导电能力可以极大提高检测性能。我们实验室则基于DNA探针在金电极表面的组装过程的系统研究，实现了DNA探针分子在电极界面上的组装和调控，并通过引入DNA-纳米金粒子复合物进行信号放大，研制出一种具有高灵敏度和高特异性的电化学DNA生物传感器，其灵敏度高达10 fM。这一传感器也具有很高的特异性，不仅可以区分非特异性的DNA序列，而且可以对单碱基变异性进行检测。
另一种被称为“纳米孔”的生物传感器也是由美国科学家完成的，他们采用了一种毒素膜通道蛋白。这种蛋白质内有一个纳米尺度的空腔，单链的DNA探针分子可以自由地通过这个通道；而当DNA探针捕获到靶基因或靶蛋白之后体积就会变大，从而堵塞在空腔内。因此通过探测膜通道的离子电流就可以实现单个分子的探测。科学家们还预期，如果能把信噪比进一步提高，这种传感器还可以感知A、G、T、C四种DNA碱基所产生的电流变化，从而实现单个DNA分子的测序。如果这种单分子测序获得成功，我们就可能将人类基因组的测序成本降低到1000美元以下，也就是说每个人针对自己特定的遗传状况进行个性化治疗的时代就可能到来了。
由于核酸适配体（aptamer）的出现，纳米生物传感器除了进行基因检测外，已经可以扩展到检测细菌、病毒、蛋白质（抗原、抗体、酶等）、有机小分子（农药残留物、毒品等）、重金属离子等，可以说其探测范围涵盖了我们生活的方方面面。核酸适配体是一小段寡核苷酸序列，一般由几十个核苷酸或脱氧核苷酸组成，它能与相应配体（ligand）特异性结合，在分子诊断和生物医药研究领域得到越来越多的关注和应用，正逐步成为一类重要的新型分子工具。
核酸适配体是通过一种先进的体外筛选技术获得的，即模拟了自然进化过程的指数富集配体系统进化（Systematic Evolution of Ligands by EXponential enrichment,SELEX）技术。其基本原理是构建人工合成的单链随机寡核苷酸文库（约1015～1016），随机序列长度在20～100个碱基左右；而后将随机寡核苷酸文库与靶分子相互作用，保留结合的寡核苷酸序列，经过数个循环的反复扩增、筛选，即可富集得到期望的具有特异结合能力的核酸适配体。核酸适配体与靶分子识别的模式与抗体（蛋白质）类似，它可以折叠成复杂的三维构象，进而形成与相应靶分子结合的口袋状结构。采用高分辨的核磁共振及X射线晶体衍射等手段从结构上对核酸适配体与配体的结合机理研究发现，两者之间通过范德华力、氢键、静电、堆砌和形状匹配等多种相互作用产生高特异性的结合力。与抗体相比，核酸适配体具有更多的优越性，如不受免疫条件和免疫原性限制，可以体外人工合成，变性与复性可逆，可修饰并易于长期保存和室温运输等。更重要的是，核酸适配体的靶分子更为广泛，既可以是大分子物质如蛋白质和核酸等，也可以是小分子物质如肽段、氨基酸、有机物甚至金属离子等，还可以是整体性物质如细胞、病毒等。核酸适配体靶分子之间可以达到很高的亲合力，甚至高于抗原－抗体之间的结合，所以，有时核酸适配体比抗体具有更高的特异性，如手性识别等。
纳米生物传感器可以帮助临床医生快速地检测癌细胞和多种肿瘤标记物，从而实现癌症的早期诊断；在传染病防治方面可以实现快速反应，把具有传染性的SARS、禽流感、肝炎病毒等限制在最小范围；一些恐怖分子已经开始采用炭疽杆菌等生物武器，纳米生物传感器则可以实现快速响应，提前通知反恐部队的介入；我们每天吃的食物可以通过纳米生物传感器来检测其新鲜度以及农药残留物和重金属含量是否超标；法医则可以快速地进行遗传分析，来及早锁定罪犯。可以想象，一旦纳米生物传感器进入实用阶段，我们的生活将发生极大的变化，甚至可以在家里就能完成很多现在只能由专家做的事情！
借鉴生物“机器”升级
近年来，随着对生物传感器研究的深入，科学家们发现通过单一的生物识别元件和单一的纳米材料已经很难提高生物检测的性能。而我们知道，生物体内存在着无数天然的“生物传感器”，它们可以在高噪音背景情况下感知单个分子，从而发挥生理学效应，这是当前的纳米生物传感器所望尘莫及的。纳米生物传感“机器”则是在此背景下科学家们提出向生物学习的新概念，是纳米生物传感器的“升级版”。即由多个维度和材质的无机纳米结构与多种生物分子组装而成，通过生物探针分子的定位组装，完成纳米局限空间内的多个相关生物反应的耦联，实现识别捕获、信号转导和级联放大等功能的集成，从而可以在单体系中一步实现高效生物检测。真正意义上的纳米生物传感机器目前还没有问世，但我们可以设想一种理想的机器，即利用特殊制备的零维/一维人工纳米材料复合结构，控制多种生物探针分子（核酸、抗体和酶）在其表面不同区域的精确组装，装配成一个具有多功能区域的“机器”。其中，识别捕获区域在组装生物识别元件后可以特异性地捕获靶核酸或靶蛋白分子，并通过磁性分离去除背景杂质；信号转导区域可以通过纳米线/纳米管的光电效应将生物识别过程转换成光或电信号，并有可能实现多种信号的同时输出以提高信号特异性；级联放大部分可以通过纳米结构表面的多种酶反应实现信号倍增，提高检测灵敏度。我们可以想象，这样一种纳米尺度的探测器将有可能直接进入人体内，利用其高灵敏度和高特异性完成对疾病的快速、早期诊断。
本文作者樊春海来自中国科学院上海应用物理研究所