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近年来，随着纳米材料的合成工艺与表征技术的飞速发展，研究者们将目光更多地集中在利用功能纳米材料提升生物传感器的性能。在众多纳米材料中，氧化锌（ZnO）被视为是极具潜力的候选者之一。这是由于ZnO丰富的纳米结构与形貌（例如：颗粒、线、棒、针、管、带、四针状、花状等）、极大的传感表面积、高化学稳定性、直接带隙宽禁带（3.37eV）、高激子束缚能（60meV）、高电子迁移率（210cm2/Vs）、优异的压电及紫外防护性能以及良好的生物相容性。此外，ZnO具有较高的等电点（IEP=9.5），有利于通过静电作用吸附等电点较低的蛋白质分子。因此，ZnO纳米材料在构建酶生物传感器方面有着得天独厚的优势。
生物传感器作为一种分析器件，通常包含生物基质（酶、抗体、核酸、微生物等）以及换能器（电化学型、光学型、声学型/机械型、压电型等）2部分，可以将生物信息转换成可探测的信号[1，2]。其中，酶分子作为传感基元具有特异性以及较高催化性能，通过物理吸附、化学交联等固定技术集成在不同的换能器上，成功构建了酶生物传感器，并被应用在疾病诊断、医疗健康、食品工业、农业、国防军事以及环境监控等重要领域。葡萄糖在大量生物化学途径中均扮演着重要角色，例如糖酵解等。人体血液中较高的葡萄糖浓度预示着糖尿病的潜在危险。因此，为了探测葡萄糖浓度的重要性以及酶氧化葡萄糖分子的典型性，研究者们开发出了多种多样的葡萄糖生物传感器。葡萄糖传感器的主要工作原理是：葡萄糖+O2→葡萄糖酸+H2O2；H2O2→O2+2H++2e-。本文将基于不同的器件类型，系统地介绍ZnO基葡萄糖生物传感器的发展历史以及最新进展；同时，针对纳米技术的改进对传感器性能的提升进行了着重讨论。通过显著突出ZnO纳米材料基生物传感器的独特优势，帮助广大研究者们在ZnO纳米材料的研究领域以及高性能生物传感器件的研发道路上走的更远。
一、电化学型ZnO基葡萄糖生物传感器
电化学型生物传感器最为常见，因为其普遍具有较高的灵敏度、较宽的探测范围、实时响应能力、构建工艺简单、可重复性高、成本低廉等一系列优势。在众多电化学探测手段中，电流法、电压法、循环伏安法（CV）、电化学阻抗法（EIS）等常被用于生物传感器的电化学过程表征[3]。电流法测量技术通常可以在传感器输出信号与探测底物浓度之间获得线性关系，然而电压法常常因信号与浓度间的半对数关系而受限于相对较低的灵敏度。
1.ZnO单一纳米结构用于葡萄糖酶分子固定
纳米结构的物理、化学以及表面性能决定着酶分子的固定方式、工作环境甚至是传感器的最终性能[4]。目前已经证实，相比于二氧化钛（TiO2），ZnO纳米结构在酶的吸附以及酶的生物电化学过程等方面具有众多优势[5]。除此之外，ZnO纳米结构拥有较高的比表面积有利于大量葡萄糖酶分子的固定，以及更多的活性位点用于保证酶分子的催化活性。
在传统的酶电极构建工艺当中，ZnO纳米结构通常被转移至工作电极表面以形成一层薄膜。通过气相输运法合成的四针状纳米ZnO被转移至标准金电极的表面，形成了多终端的网络结构用于固定葡萄糖酶分子（图1）。四针状纳米ZnO形成的三维结构有效地提升了传感器的葡萄糖探测灵敏度至25.3μA/（mmol/L·cm2）并获得了低至4μM的探测下限，同时器件还表现出来较宽的线性范围（0.005～6.5mmol/L）以及良好的稳定性。这不仅归因于将单一准一维的四针状纳米ZnO堆积形成的三维空间结构，而且归因于多终端的电子输运特性。此外，基于尺寸小于100nm的ZnO纳米颗粒的葡萄糖生物传感器表现出了更宽的线性范围（0.0091～14.5mmol/L）。米氏常数（）通过计算为0.124mmol/L，表明ZnO纳米颗粒为葡萄糖酶分子提供了良好的生物相容环境以保证其活性，同时在酶分子与电极直接提供了电子传输路径。在人体血清中的检测结果进一步证实了该种传感器的实际应用可信度高达95%。由气相输运法合成的ZnO纳米梳同样被采用作为电极材料以固定葡萄糖酶分子。该种传感器的灵敏度为15.33μA/（mmol/L·cm2），米氏常数为2.19mmol/L。单晶ZnO纳米梳提供了大量的电子输运通道，很大程度上提升了传感器的性能。另外，由静电纺丝法制备的直径约为195～350nm的ZnO纳米纤维同样被葡萄糖酶分子修饰，构建成为葡萄糖生物传感器。
除了转移ZnO纳米材料至电极表面之外，直接在换能器电极表面生长ZnO纳米结构的方法同样受到了很大的关注。通过水热合成法，ZnO纳米棒阵列被直接生长在标准金电极表面。在pH=7.4的PBS缓冲液中，带有负电的葡萄糖酶分子通过静电相互作用被固定在带有正电的ZnO上。构建的传感器展示出0.01～3.45mmol/L的线性范围以及23.1μA/（mmol/L·cm2）的灵敏度。当有Nafion膜覆盖在工作电极表面时，传感器相对于尿酸与抗坏血酸表现出优异的选择性，证实了Nafion膜相对于大多数阳离子干扰物的保护作用。此外，通过控制在硅/银电极表面直接生长的ZnO纳米棒的纵横比，获得了最优化的传感器性能。通过比较发现，纵横比为60的器件表现出来最高的灵敏度〔110.76μA/（mmol/L·cm2）〕、最低的米氏常数（0.137mmol/L）以及小于1s的反应时间。这些数据表明拥有较大比表面积的ZnO纳米棒阵列可以为更多的葡萄糖酶分子提供有利的微环境，同时提供有效的电子传输通道。值得注意的是，直接生长获得的整齐排列ZnO纳米棒阵列相较与随机分布的ZnO纳米棒表现出更加优异的传感性能。这是由于整齐排列的单晶纳米棒更有利于电子的各向异性运动，电子为了最终抵达块状电极仅需要沿着单根棒从上至下的传输，而不是从一根棒注入至另一根。当ZnO纳米棒阵列被生长在金覆盖的聚酯基底上时，可弯曲的柔性传感器便被成功构建出来，验证了基于ZnO纳米材料构建轻量化、柔性、高性能生物传感器件的可行性。 在另一工作中，分别基于转移的ZnO和直接生长的ZnO同时构建了2种生物传感器，以探求不同器件构建工艺对最终性能的影响（图2）。经比较，基于后者的传感器具有更加优异的性能，并证实纳米材料与电极表面之间界面的重要性。然而，还有另外一个至关重要的界面存在于生物传感器内部。它就是纳米材料与酶分子之间的界面，同样可以对器件的性能产生重大影响。因此，学者们针对共价结合固定酶分子于ZnO纳米棒的表面，研究了不同耦合试剂的效果。相比于（3-aminopropyl） trimethoxysilane（APTMS）以及（3-aminopropyl） trimethoxysilane（APTMS），使用（3-aminopropyl） methyldiethoxysilane（APS）作为交联剂的葡萄糖传感器表现出了最高的灵敏度和最低的米氏常数。这归因于APS当中大量的C-N键以及其较低电子输运阻抗。
除常见的ZnO纳米棒阵列之外，一些研究小组同样实现了将葡萄糖酶分子固定在更加复杂的ZnO纳米结构之上以构建传感器。例如，高取向单晶ZnO纳米管阵列通过两步法在氧化铟锡（ITO）导电玻璃表面获得成功制备。而基于该纳米结构的传感器展示出0.01～4.2mmol/L的线性范围以及30.85μA/（mmol/L·cm2）的灵敏度。通过化学腐蚀电化学沉积在金表面的ZnO纳米棒，同样获得了类似的ZnO纳米管阵列，并通过交联法将葡萄糖酶分子修饰在了其表面。构建的传感器表现出0.05～12mmol/L的线性范围以及21.7μA/（mmol/L·cm2）的灵敏度。上述提到的2种基于ZnO纳米管阵列的传感器相对于ZnO纳米棒，在各个性能指标上都具有明显的优势。这是由于多孔的结构可以提供更大面积的平滑表面。更重要的是，纳米管阵列独特的三维结构可以防止葡萄糖酶分子的堆垛，并允许双氧水（H2O2）分子更快地扩散至电极表面并有效地得到氧化。此外，金字塔状多孔ZnO纳米结构、生长在玻璃毛细管针尖上的200nm厚薄片状纳米ZnO、复制苹果肉及苹果皮微观结构而获得的多孔状ZnO生物形貌纳米材料也分别被采用来修饰电极以固定酶分子，并成功构建了葡萄糖生物传感器。
2.ZnO复合纳米结构用于酶分子固定
作为一种无机——有机复合物，介孔ZnO-壳聚糖材料被应用在构建针尖状葡萄糖生物传感器，从而证实了采用一维纳米结构作为分立的生物传感探针的可行性以及其在微生物或单细胞生物学领域潜在的应用价值。此外，核壳结构ZnO-壳聚糖/聚乙烯醇复合物被应用于构建电压法葡萄糖传感器。该器件表现出快速的表面控制氧化还原化生反应，线性范围为2μmol/L～1.2mmol/L，探测下限低至0.2μmol/L，灵敏度大于0.04V/μmol/L。这归因于ZnO纳米颗粒的高催化性能以及核壳复合结构的出色酶分子固定能力。ZnO外层包裹的有机材料有利于为酶分子提供良好的微环境，因而增强了生物传感器件的性能。
金属纳米颗粒已被证实具有大比表面积、高表面活性、优异的电子传输特性、出色的生物分子附着能力以及良好的生物相容性。通过简单、温和的水热方法，金晶体颗粒被生长在ZnO纳米棒的表面，并通过化学交联法后续被应用于葡萄糖酶分子的固定。ZnO与金之间界面处存在的肖特基势垒阻碍了电子从ZnO向酶的反向注入，从而大大提升了ZnO导带处的电子浓度，改善了葡萄糖传感器的工作效率。通过多步的化学合成，金/银（Au/Pt）复合物被修饰在ZnO纳米棒的表面，构建成为电流型传感器。由于多种具备高电催化性能材料的复合，传感器展示出1.8μmol/L～5.15mmol/L的线性范围以及0.6μmol/L的探测下限。另外，周期性的ZnO-金复合物、腐蚀法获得的多刺的ZnO-铜复合物、水热法合成的氧化镍（NiO）修饰ZnO复合物、多孔状的钴掺杂ZnO纳米团簇均被应用至葡萄糖酶电极的构建当中。
近年来，诸如石墨烯和碳纳米管等先进碳材料掀起了一阵又一阵的研究热潮，由于他们出色的物理化学性能，ZnO纳米材料与他们复合在一起，同样在生物传感领域得到了广泛的应用。石墨烯-ZnO纳米颗粒复合物实现了葡萄糖酶分子的直接电子转移。仅使用单一的前驱反应源，在200℃温度下，即可在层状石墨烯表面原位生长ZnO纳米颗粒。二者的复合物还相对于大肠杆菌以及革兰氏阴性菌表现出了极强的抗菌性能，证实了该种复合物在生物传感以及生物工程领域的潜在应用价值。此外，ZnO纳米颗粒、海绵状ZnO、ZnO微米花等通过电化学沉积法分别修饰在了多壁碳纳米管和还原氧化石墨烯的表面，而基于上述复合物的葡萄糖传感器均表现出具有快速电子转移特性的优异电催化性能。即使是通过碳化，使ZnO纳米线阵列表面覆盖上一层高电导率、高化学稳定性的碳膜，循环伏安结果显示电极展现了一对清晰的氧化还原峰，表明实现了葡萄糖酶分子的快速直接电化学过程。
二、场效应型ZnO基葡萄糖生物传感器
1.基于场效应晶体管（FET）
将场效应晶体管转化为生物传感器通常需要将金属门电极替换为具有生物敏感性的表面，该表面将与待分析物的溶液直接接触。近些年来，具有小型化、快响应、无标记、高灵敏度、实时响应、可大批量生产以及可芯片集成等特性的场效应晶体管型酶基生物传感器（ENFET）研究取得了巨大进展。ENFET来源于离子敏感型场效应晶体管（ISFET），其门电极表面溶液中的离子产生的局域电势可导致电导的变化。当探测底物出现时，酶分子遵从剂量效应对其产生催化响应从而相应地改变门电极附近的pH值，ISFET便实现了向ENFET的转变。目前，利用ENFET已经对葡萄糖、尿酸等一系列生物小分子实现了精确探测。大量研究主要围绕着硅纳米材料、金纳米线和碳纳米管，只有一少部分关注金属氧化物半导体。然而，硅纳米材料的不稳定表明其极易被氧化，进而降低器件的可信度与稳定性。金的高成本以及碳纳米管的手性和缺陷问题都未解决。因此，金属氧化物半导体成为极具潜质的场效应晶体管生物传感器门电极材料。 CVD炉合成的单根ZnO纳米线被固定有电子束曝光获得的钛/金电极上。随后，电极表面被聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）钝化以防止漏电流的产生。对于构建的FET，变换不同的门电压，漏电流与源漏电压成固定的函数关系，同时开关比达到约4.6×106，电导率达到约8.2nS。传感性能表明n型ZnO纳米线在不经掺杂的情况下可以构建FET型生物传感器（图3）。除此之外，规则的ZnO纳米棒阵列也通过水热法选择性地生长在特定门电极区域。通过共价交联法或静电吸附法，大量葡萄糖酶分子被固定在ZnO表面，最终成功构建酶修饰半导体金属氧化物门电极的FET型生物传感器。
2.基于高电子迁移率晶体管（HEMT）
高电子迁移率晶体管（HEMT）具有极高的二维电子气（2DEG）迁移率与饱和迁移速率，作为潜在的传感器构建平台，具有很大的研究价值。在探测中，任何细微的外界环境变化都将影响其表面电荷状态，并最终导致2DEG浓度的变化，因而漏电流也会随之产生相应的变化。
基于氮化镓铝/氮化镓的HEMT的性能，压电效应和氮化镓铝与氮化镓层之间的自发极化而具有高电子浓度的输运通道。当ZnO纳米棒阵列通过较低温的水热沉积被修饰在其门电极区域时，器件的传感面积得到了大幅度的提升。当葡萄糖在葡萄糖酶的催化下发生反应时，ZnO表面的电荷发生变化，继而导致漏电流发生变化，并最终经过HEMT的放大作用而输出传感信号。实验结果表明源漏电流响应时间小于5s，探测极限低至0.5nmol/L。此外，类似地ZnO纳米线修饰门电极的方法也被应用在砷化镓铝/砷化镓HEMT器件上（图4）。该种器件中的电子相比于上文提到的氮化镓铝/氮化镓的HEMT更容易受到激发，这是由于砷化镓的带隙（1.42eV）窄于氮化镓（3.44eV）。同时，额外的硅掺杂砷化镓覆盖层不仅增强了门电极的稳定性，而且改善了载流子在覆盖层内的输运性能。因此，器件具有非常可观的传感性能。低能耗、小型化、快响应以及低成本等特性无疑使HEMT成为极具吸引力的生物传感发展领域。HEMT技术、纳米技术与生物传感技术的相互结合将为未来面向临床使用的新型生物传感器件铺设一条宽广的道路。
三、展望与挑战
ZnO纳米材料作为桥梁，有机地将生物传感器中的生物受体和换能器联系在一起。然而，面向于设计高效率、小型化、无线数据传输、可移植诊断器件，无疑还有大量的挑战急需解决。
在材料合成方面，通过控制材料维度尺寸、形貌和性能，积极制备新颖的ZnO纳米结构将有利于ZnO纳米材料的多样化应用。面向这样的目标，诸如电子束曝光、分子束外延、磁控溅射、纳米压印等新兴技术手段均被应用在ZnO纳米结构的制备上。此外，创新的ZnO纳米复合物，诸如无机——有机以及金属-半导体复合物等均获得着重的发展以获得独一无二的结构和新颖的性能结合。目前，最重要的问题就是明确解决不同的纳米结构如何作用、影响最终的器件性能。进而，便可以以器件性能为导向，设计纳米结构的合成方案与工艺。
在获得理想的纳米结构之后，还需考虑材料的集成工艺。以FET传感器为例，将合成的纳米材料精确固定在预期的电极位置是至关重要的。但靠运气随机分散纳米材料在电极表面并进行筛选是目前最常见的方法之一。因而，要解决纳米材料的操控和精确位置固定的问题，需要引入介电泳技术（DEP）或纳米操控系统以控制和摆放纳米材料，同时使用聚焦离子束（FIB）等手段进行纳米材料的固定。
纳米ZnO-酶结构系统针对于生物分子的探测具有大量的优势，该方向的研究也必将有利于纳米材料基生物传感技术的临床应用。在未来几年内，期待看到更多基于纳米ZnO-酶结构生物传感器的商业化进展。通过将ZnO纳米线阵列基生物传感器与全球移动通讯系统（GSM）集成，很高兴地看到远程葡萄糖浓度监控已经被成功实现[10]。传感数据可以通过GSM网络进行传输，并最终汇聚至监控中心。该应用将大大减少医疗成本，并为最终实现病人的远程诊断与治理打下坚实的基础。
四、结语
做为酶固定载体的ZnO纳米材料已经被充分证实在生物传感领域拥有巨大的潜质。基于ZnO纳米材料的酶生物传感器通常具有较高的性能，这主要归因于以下几点：首先，通过可控合成获得的多种形貌ZnO纳米结构具有大比表面积，因而可以提供更多的酶附着位点；其次，ZnO较高的等电点有利于通过静电作用稳定吸附酶分子；此外，ZnO纳米结构具有优异的生物相容性，可以提供良好的微环境以保证酶的活性；最后，高品质的ZnO晶体可以在酶与电极表面之间提供快速的电子传输通道。随着更多ZnO纳米结构特性的发现不断带来大量的机遇，生物传感领域必将取得更宏伟的进展。
参考文献
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[10] Kent Axelsson，et al.Wireless remote monitoring of glucose using a functionalized ZnO nanowire arrays based sensor[J].Sensors，2011（12）：8485-8496.
生物传感器作为一种分析器件，通常包含生物基质（酶、抗体、核酸、微生物等）以及换能器（电化学型、光学型、声学型/机械型、压电型等）2部分，可以将生物信息转换成可探测的信号[1，2]。其中，酶分子作为传感基元具有特异性以及较高催化性能，通过物理吸附、化学交联等固定技术集成在不同的换能器上，成功构建了酶生物传感器，并被应用在疾病诊断、医疗健康、食品工业、农业、国防军事以及环境监控等重要领域。葡萄糖在大量生物化学途径中均扮演着重要角色，例如糖酵解等。人体血液中较高的葡萄糖浓度预示着糖尿病的潜在危险。因此，为了探测葡萄糖浓度的重要性以及酶氧化葡萄糖分子的典型性，研究者们开发出了多种多样的葡萄糖生物传感器。葡萄糖传感器的主要工作原理是：葡萄糖+O2→葡萄糖酸+H2O2；H2O2→O2+2H++2e-。本文将基于不同的器件类型，系统地介绍ZnO基葡萄糖生物传感器的发展历史以及最新进展；同时，针对纳米技术的改进对传感器性能的提升进行了着重讨论。通过显著突出ZnO纳米材料基生物传感器的独特优势，帮助广大研究者们在ZnO纳米材料的研究领域以及高性能生物传感器件的研发道路上走的更远。
一、电化学型ZnO基葡萄糖生物传感器
电化学型生物传感器最为常见，因为其普遍具有较高的灵敏度、较宽的探测范围、实时响应能力、构建工艺简单、可重复性高、成本低廉等一系列优势。在众多电化学探测手段中，电流法、电压法、循环伏安法（CV）、电化学阻抗法（EIS）等常被用于生物传感器的电化学过程表征[3]。电流法测量技术通常可以在传感器输出信号与探测底物浓度之间获得线性关系，然而电压法常常因信号与浓度间的半对数关系而受限于相对较低的灵敏度。
1.ZnO单一纳米结构用于葡萄糖酶分子固定
纳米结构的物理、化学以及表面性能决定着酶分子的固定方式、工作环境甚至是传感器的最终性能[4]。目前已经证实，相比于二氧化钛（TiO2），ZnO纳米结构在酶的吸附以及酶的生物电化学过程等方面具有众多优势[5]。除此之外，ZnO纳米结构拥有较高的比表面积有利于大量葡萄糖酶分子的固定，以及更多的活性位点用于保证酶分子的催化活性。
在传统的酶电极构建工艺当中，ZnO纳米结构通常被转移至工作电极表面以形成一层薄膜。通过气相输运法合成的四针状纳米ZnO被转移至标准金电极的表面，形成了多终端的网络结构用于固定葡萄糖酶分子（图1）。四针状纳米ZnO形成的三维结构有效地提升了传感器的葡萄糖探测灵敏度至25.3μA/（mmol/L·cm2）并获得了低至4μM的探测下限，同时器件还表现出来较宽的线性范围（0.005～6.5mmol/L）以及良好的稳定性。这不仅归因于将单一准一维的四针状纳米ZnO堆积形成的三维空间结构，而且归因于多终端的电子输运特性。此外，基于尺寸小于100nm的ZnO纳米颗粒的葡萄糖生物传感器表现出了更宽的线性范围（0.0091～14.5mmol/L）。米氏常数（）通过计算为0.124mmol/L，表明ZnO纳米颗粒为葡萄糖酶分子提供了良好的生物相容环境以保证其活性，同时在酶分子与电极直接提供了电子传输路径。在人体血清中的检测结果进一步证实了该种传感器的实际应用可信度高达95%。由气相输运法合成的ZnO纳米梳同样被采用作为电极材料以固定葡萄糖酶分子。该种传感器的灵敏度为15.33μA/（mmol/L·cm2），米氏常数为2.19mmol/L。单晶ZnO纳米梳提供了大量的电子输运通道，很大程度上提升了传感器的性能。另外，由静电纺丝法制备的直径约为195～350nm的ZnO纳米纤维同样被葡萄糖酶分子修饰，构建成为葡萄糖生物传感器。
除了转移ZnO纳米材料至电极表面之外，直接在换能器电极表面生长ZnO纳米结构的方法同样受到了很大的关注。通过水热合成法，ZnO纳米棒阵列被直接生长在标准金电极表面。在pH=7.4的PBS缓冲液中，带有负电的葡萄糖酶分子通过静电相互作用被固定在带有正电的ZnO上。构建的传感器展示出0.01～3.45mmol/L的线性范围以及23.1μA/（mmol/L·cm2）的灵敏度。当有Nafion膜覆盖在工作电极表面时，传感器相对于尿酸与抗坏血酸表现出优异的选择性，证实了Nafion膜相对于大多数阳离子干扰物的保护作用。此外，通过控制在硅/银电极表面直接生长的ZnO纳米棒的纵横比，获得了最优化的传感器性能。通过比较发现，纵横比为60的器件表现出来最高的灵敏度〔110.76μA/（mmol/L·cm2）〕、最低的米氏常数（0.137mmol/L）以及小于1s的反应时间。这些数据表明拥有较大比表面积的ZnO纳米棒阵列可以为更多的葡萄糖酶分子提供有利的微环境，同时提供有效的电子传输通道。值得注意的是，直接生长获得的整齐排列ZnO纳米棒阵列相较与随机分布的ZnO纳米棒表现出更加优异的传感性能。这是由于整齐排列的单晶纳米棒更有利于电子的各向异性运动，电子为了最终抵达块状电极仅需要沿着单根棒从上至下的传输，而不是从一根棒注入至另一根。当ZnO纳米棒阵列被生长在金覆盖的聚酯基底上时，可弯曲的柔性传感器便被成功构建出来，验证了基于ZnO纳米材料构建轻量化、柔性、高性能生物传感器件的可行性。 在另一工作中，分别基于转移的ZnO和直接生长的ZnO同时构建了2种生物传感器，以探求不同器件构建工艺对最终性能的影响（图2）。经比较，基于后者的传感器具有更加优异的性能，并证实纳米材料与电极表面之间界面的重要性。然而，还有另外一个至关重要的界面存在于生物传感器内部。它就是纳米材料与酶分子之间的界面，同样可以对器件的性能产生重大影响。因此，学者们针对共价结合固定酶分子于ZnO纳米棒的表面，研究了不同耦合试剂的效果。相比于（3-aminopropyl） trimethoxysilane（APTMS）以及（3-aminopropyl） trimethoxysilane（APTMS），使用（3-aminopropyl） methyldiethoxysilane（APS）作为交联剂的葡萄糖传感器表现出了最高的灵敏度和最低的米氏常数。这归因于APS当中大量的C-N键以及其较低电子输运阻抗。
除常见的ZnO纳米棒阵列之外，一些研究小组同样实现了将葡萄糖酶分子固定在更加复杂的ZnO纳米结构之上以构建传感器。例如，高取向单晶ZnO纳米管阵列通过两步法在氧化铟锡（ITO）导电玻璃表面获得成功制备。而基于该纳米结构的传感器展示出0.01～4.2mmol/L的线性范围以及30.85μA/（mmol/L·cm2）的灵敏度。通过化学腐蚀电化学沉积在金表面的ZnO纳米棒，同样获得了类似的ZnO纳米管阵列，并通过交联法将葡萄糖酶分子修饰在了其表面。构建的传感器表现出0.05～12mmol/L的线性范围以及21.7μA/（mmol/L·cm2）的灵敏度。上述提到的2种基于ZnO纳米管阵列的传感器相对于ZnO纳米棒，在各个性能指标上都具有明显的优势。这是由于多孔的结构可以提供更大面积的平滑表面。更重要的是，纳米管阵列独特的三维结构可以防止葡萄糖酶分子的堆垛，并允许双氧水（H2O2）分子更快地扩散至电极表面并有效地得到氧化。此外，金字塔状多孔ZnO纳米结构、生长在玻璃毛细管针尖上的200nm厚薄片状纳米ZnO、复制苹果肉及苹果皮微观结构而获得的多孔状ZnO生物形貌纳米材料也分别被采用来修饰电极以固定酶分子，并成功构建了葡萄糖生物传感器。
2.ZnO复合纳米结构用于酶分子固定
作为一种无机——有机复合物，介孔ZnO-壳聚糖材料被应用在构建针尖状葡萄糖生物传感器，从而证实了采用一维纳米结构作为分立的生物传感探针的可行性以及其在微生物或单细胞生物学领域潜在的应用价值。此外，核壳结构ZnO-壳聚糖/聚乙烯醇复合物被应用于构建电压法葡萄糖传感器。该器件表现出快速的表面控制氧化还原化生反应，线性范围为2μmol/L～1.2mmol/L，探测下限低至0.2μmol/L，灵敏度大于0.04V/μmol/L。这归因于ZnO纳米颗粒的高催化性能以及核壳复合结构的出色酶分子固定能力。ZnO外层包裹的有机材料有利于为酶分子提供良好的微环境，因而增强了生物传感器件的性能。
金属纳米颗粒已被证实具有大比表面积、高表面活性、优异的电子传输特性、出色的生物分子附着能力以及良好的生物相容性。通过简单、温和的水热方法，金晶体颗粒被生长在ZnO纳米棒的表面，并通过化学交联法后续被应用于葡萄糖酶分子的固定。ZnO与金之间界面处存在的肖特基势垒阻碍了电子从ZnO向酶的反向注入，从而大大提升了ZnO导带处的电子浓度，改善了葡萄糖传感器的工作效率。通过多步的化学合成，金/银（Au/Pt）复合物被修饰在ZnO纳米棒的表面，构建成为电流型传感器。由于多种具备高电催化性能材料的复合，传感器展示出1.8μmol/L～5.15mmol/L的线性范围以及0.6μmol/L的探测下限。另外，周期性的ZnO-金复合物、腐蚀法获得的多刺的ZnO-铜复合物、水热法合成的氧化镍（NiO）修饰ZnO复合物、多孔状的钴掺杂ZnO纳米团簇均被应用至葡萄糖酶电极的构建当中。
近年来，诸如石墨烯和碳纳米管等先进碳材料掀起了一阵又一阵的研究热潮，由于他们出色的物理化学性能，ZnO纳米材料与他们复合在一起，同样在生物传感领域得到了广泛的应用。石墨烯-ZnO纳米颗粒复合物实现了葡萄糖酶分子的直接电子转移。仅使用单一的前驱反应源，在200℃温度下，即可在层状石墨烯表面原位生长ZnO纳米颗粒。二者的复合物还相对于大肠杆菌以及革兰氏阴性菌表现出了极强的抗菌性能，证实了该种复合物在生物传感以及生物工程领域的潜在应用价值。此外，ZnO纳米颗粒、海绵状ZnO、ZnO微米花等通过电化学沉积法分别修饰在了多壁碳纳米管和还原氧化石墨烯的表面，而基于上述复合物的葡萄糖传感器均表现出具有快速电子转移特性的优异电催化性能。即使是通过碳化，使ZnO纳米线阵列表面覆盖上一层高电导率、高化学稳定性的碳膜，循环伏安结果显示电极展现了一对清晰的氧化还原峰，表明实现了葡萄糖酶分子的快速直接电化学过程。
二、场效应型ZnO基葡萄糖生物传感器
1.基于场效应晶体管（FET）
将场效应晶体管转化为生物传感器通常需要将金属门电极替换为具有生物敏感性的表面，该表面将与待分析物的溶液直接接触。近些年来，具有小型化、快响应、无标记、高灵敏度、实时响应、可大批量生产以及可芯片集成等特性的场效应晶体管型酶基生物传感器（ENFET）研究取得了巨大进展。ENFET来源于离子敏感型场效应晶体管（ISFET），其门电极表面溶液中的离子产生的局域电势可导致电导的变化。当探测底物出现时，酶分子遵从剂量效应对其产生催化响应从而相应地改变门电极附近的pH值，ISFET便实现了向ENFET的转变。目前，利用ENFET已经对葡萄糖、尿酸等一系列生物小分子实现了精确探测。大量研究主要围绕着硅纳米材料、金纳米线和碳纳米管，只有一少部分关注金属氧化物半导体。然而，硅纳米材料的不稳定表明其极易被氧化，进而降低器件的可信度与稳定性。金的高成本以及碳纳米管的手性和缺陷问题都未解决。因此，金属氧化物半导体成为极具潜质的场效应晶体管生物传感器门电极材料。 CVD炉合成的单根ZnO纳米线被固定有电子束曝光获得的钛/金电极上。随后，电极表面被聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）钝化以防止漏电流的产生。对于构建的FET，变换不同的门电压，漏电流与源漏电压成固定的函数关系，同时开关比达到约4.6×106，电导率达到约8.2nS。传感性能表明n型ZnO纳米线在不经掺杂的情况下可以构建FET型生物传感器（图3）。除此之外，规则的ZnO纳米棒阵列也通过水热法选择性地生长在特定门电极区域。通过共价交联法或静电吸附法，大量葡萄糖酶分子被固定在ZnO表面，最终成功构建酶修饰半导体金属氧化物门电极的FET型生物传感器。
2.基于高电子迁移率晶体管（HEMT）
高电子迁移率晶体管（HEMT）具有极高的二维电子气（2DEG）迁移率与饱和迁移速率，作为潜在的传感器构建平台，具有很大的研究价值。在探测中，任何细微的外界环境变化都将影响其表面电荷状态，并最终导致2DEG浓度的变化，因而漏电流也会随之产生相应的变化。
基于氮化镓铝/氮化镓的HEMT的性能，压电效应和氮化镓铝与氮化镓层之间的自发极化而具有高电子浓度的输运通道。当ZnO纳米棒阵列通过较低温的水热沉积被修饰在其门电极区域时，器件的传感面积得到了大幅度的提升。当葡萄糖在葡萄糖酶的催化下发生反应时，ZnO表面的电荷发生变化，继而导致漏电流发生变化，并最终经过HEMT的放大作用而输出传感信号。实验结果表明源漏电流响应时间小于5s，探测极限低至0.5nmol/L。此外，类似地ZnO纳米线修饰门电极的方法也被应用在砷化镓铝/砷化镓HEMT器件上（图4）。该种器件中的电子相比于上文提到的氮化镓铝/氮化镓的HEMT更容易受到激发，这是由于砷化镓的带隙（1.42eV）窄于氮化镓（3.44eV）。同时，额外的硅掺杂砷化镓覆盖层不仅增强了门电极的稳定性，而且改善了载流子在覆盖层内的输运性能。因此，器件具有非常可观的传感性能。低能耗、小型化、快响应以及低成本等特性无疑使HEMT成为极具吸引力的生物传感发展领域。HEMT技术、纳米技术与生物传感技术的相互结合将为未来面向临床使用的新型生物传感器件铺设一条宽广的道路。
三、展望与挑战
ZnO纳米材料作为桥梁，有机地将生物传感器中的生物受体和换能器联系在一起。然而，面向于设计高效率、小型化、无线数据传输、可移植诊断器件，无疑还有大量的挑战急需解决。
在材料合成方面，通过控制材料维度尺寸、形貌和性能，积极制备新颖的ZnO纳米结构将有利于ZnO纳米材料的多样化应用。面向这样的目标，诸如电子束曝光、分子束外延、磁控溅射、纳米压印等新兴技术手段均被应用在ZnO纳米结构的制备上。此外，创新的ZnO纳米复合物，诸如无机——有机以及金属-半导体复合物等均获得着重的发展以获得独一无二的结构和新颖的性能结合。目前，最重要的问题就是明确解决不同的纳米结构如何作用、影响最终的器件性能。进而，便可以以器件性能为导向，设计纳米结构的合成方案与工艺。
在获得理想的纳米结构之后，还需考虑材料的集成工艺。以FET传感器为例，将合成的纳米材料精确固定在预期的电极位置是至关重要的。但靠运气随机分散纳米材料在电极表面并进行筛选是目前最常见的方法之一。因而，要解决纳米材料的操控和精确位置固定的问题，需要引入介电泳技术（DEP）或纳米操控系统以控制和摆放纳米材料，同时使用聚焦离子束（FIB）等手段进行纳米材料的固定。
纳米ZnO-酶结构系统针对于生物分子的探测具有大量的优势，该方向的研究也必将有利于纳米材料基生物传感技术的临床应用。在未来几年内，期待看到更多基于纳米ZnO-酶结构生物传感器的商业化进展。通过将ZnO纳米线阵列基生物传感器与全球移动通讯系统（GSM）集成，很高兴地看到远程葡萄糖浓度监控已经被成功实现[10]。传感数据可以通过GSM网络进行传输，并最终汇聚至监控中心。该应用将大大减少医疗成本，并为最终实现病人的远程诊断与治理打下坚实的基础。
四、结语
做为酶固定载体的ZnO纳米材料已经被充分证实在生物传感领域拥有巨大的潜质。基于ZnO纳米材料的酶生物传感器通常具有较高的性能，这主要归因于以下几点：首先，通过可控合成获得的多种形貌ZnO纳米结构具有大比表面积，因而可以提供更多的酶附着位点；其次，ZnO较高的等电点有利于通过静电作用稳定吸附酶分子；此外，ZnO纳米结构具有优异的生物相容性，可以提供良好的微环境以保证酶的活性；最后，高品质的ZnO晶体可以在酶与电极表面之间提供快速的电子传输通道。随着更多ZnO纳米结构特性的发现不断带来大量的机遇，生物传感领域必将取得更宏伟的进展。
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