生物传感器装置由其生物或受生物启发的受体单元定义，对相应的分析物具有独特的特异性。这些分析物通常具有生物学起源，例如细菌或病毒的DNA或从被感染或受污染的生物体的免疫系统（抗体，抗原）产生的蛋白质。当具有特定特异性的生物受体单元可用时，此类分析物也可以是简单的分子，例如葡萄糖或污染物。生物传感器开发中的许多其他挑战之一是生物识别事件（转导）的有效信号捕获。这种换能器将分析物与生物元素的相互作用转化为电化学，电化学发光，磁，重量或光学信号。为了增加灵敏度并降低甚至单个分子的检测限，纳米材料是有希望的候选物，因为它有可能以减小的体积固定增加量的生物受体单元，甚至自身充当转导元件。在此类纳米材料中，对金纳米颗粒，半导体量子点，聚合物纳米颗粒，碳纳米管，纳米金刚石和石墨烯进行了深入研究。由于该研究领域的巨大发展，本文以非穷尽的方式总结了纳米材料的优势，重点关注的是纳米物体，这些物体比“仅仅”增加表面积提供了更多的有益特性。纳米材料是有希望的候选物，因为它有可能以减小的体积固定更多数量的生物受体单元，甚至可以自己充当转导元件。在此类纳米材料中，对金纳米颗粒，半导体量子点，聚合物纳米颗粒，碳纳米管，纳米金刚石和石墨烯进行了深入研究。由于该研究领域的巨大发展，本文以非穷尽的方式总结了纳米材料的优势，重点关注的是纳米物体，这些物体比“仅仅”增加表面积提供了更多的有益特性。纳米材料是有希望的候选物，因为它有可能以减小的体积固定更多数量的生物受体单元，甚至可以自己充当转导元件。在此类纳米材料中，对金纳米颗粒，半导体量子点，聚合物纳米颗粒，碳纳米管，纳米金刚石和石墨烯进行了深入研究。由于该研究领域的巨大发展，本文以非穷尽的方式总结了纳米材料的优势，重点关注的是纳米物体，这些物体比“仅仅”增加表面积提供了更多的有益特性。
介绍
像在许多不同的技术领域一样，纳米材料已经证明了其在生物传感应用中的适用性。此类纳米物体的智能使用显着提高了性能，同时提高了灵敏度并降低了几个数量级的检测极限。所有纳米材料的一个普遍优势是高比表面，因此已经能够固定数量增加的生物受体单元。然而，持续的挑战之一是用于将生物特异性实体紧密结合到此类纳米材料上的固定策略。因此，用于固定酶的技术是开发可靠的生物传感器的关键因素之一。
在参考文献中总结了纳米材料生物功能化的有效方法（Putzbach和Ronkainen，2013年）。简而言之，非共价方法代表了纳米材料与生物实体之间的静电相互作用，π-π堆积，聚合物中的陷获或范德华力。这些原则保留了纳米材料和生物分子的所有特定特性。
共价结合：将共价生物分子附着到纳米材料上的策略在表面功能化的稳定性和可重复性方面具有优势，并降低了非特异性的物理吸附。共价键可以例如通过经典的酰胺偶联反应，交联或点击化学形成。一个缺点是生物分子的不受控制的锚定会影响负责识别事件的域。
通过超分子或配位相互作用固定生物分子：这项技术近年来在将生物物种结合到表面上已获得广泛认可。在生物传感器工程领域中使用的最著名的例子是生物素/抗生物素蛋白（或抗生蛋白链菌素）系统（Wilchek and Bayer，1988）。生物素化的生物分子可以通过亲和素（或抗生蛋白链菌素）桥连接到生物素化的底物。已经报道了其他亲和系统，如次氮基三乙酸（NTA）/ Cu 2+ /组氨酸复合物（Haddour等，2005）或宿主-客体系统金刚烷/β-环糊精（Holzinger等，2009）。）。与其他固定方法相比，此类系统的优势是可逆性，从而可以重新生成换能器元件。此外，所有功能部件（例如功能化换能器表面和修饰的生物受体）都可以单独表征，以确保所构建生物传感器的可重复性。
根据化学成分，几乎所有的纳米材料都可以通过直接官能化（在某些情况下已经在合成过程中）或通过涂覆功能性聚合物而不影响其特定性能而具备适当的功能（Biju，2014年）。这种功能化不仅允许生物受体单元的可再现固定，而且还可以提高这些材料的生物相容性。
生物传感设备中的一个特殊问题是识别事件无法通过使用的转导技术直接检测到。亲和性生物传感器就是这种情况，例如抗原与其抗体之间的免疫反应或相应的DNA链杂交。在此，必须使用经过标记修饰的其他生物特异性成分（二级抗体或DNA链），以进行光学或电化学转导。某些纳米材料的特定特性显然有助于“无标记”转导技术的发展，或者在用作标记时有助于清晰的信号放大。
金纳米颗粒
在贵金属纳米粒子组中，金纳米粒子由于其生物相容性，其光学和电子特性以及相对简单的生产和修饰而最常用于生物传感器应用（Li等，2010a）（Biju，2014年）。
特别令人感兴趣的是金表面的光学行为，其中一种特定波长的光照射会引起导带中电子的振荡，这被称为共振表面等离子体激元。当粒径远小于入射波长时，振荡电子将无法沿表面传播，就像经典表面等离子体共振（SPR）装置那样。然后，电子密度在粒子的一侧极化，在该一侧，等离子体激元与光频率发生共振振荡（图1）。这种现象用米氏理论（Mulvaney，1996；Hao等，2004）描述，并且强烈依赖于纳米粒子的大小，形状和环境的介电常数（Kelly等，2002）。这种环境依赖性对于（生物）分析而言是一个巨大的优势，因为识别事件可能导致振荡频率发生变化，从而导致肉眼可观察到的金纳米颗粒的颜色发生变化。在这种情况下，开发了一系列有效的比色生物传感器用于DNA或寡核苷酸检测或免疫传感器（Reynolds等，2000；Oldenburg等，2002；Liu和Lu，2004；Xu等，2009）。
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