金纳米颗粒聚集以及金纳米探针 微阵列技术研究进展
金纳米颗粒聚集以及金纳米探针-微阵列技术研究进展
逄键涛 文思远 王升启#
（军事医学科学院放射与辐射医学研究所，北京100850）
摘 要 金纳米颗粒
（GNP ）探针正引起科学家们越来越多的兴趣。本文主要综述了基于GNP 自组装聚集反应的生物检测和微阵列-金标银染检测的最新进展，对GNP 在电化学等其他领域的研究前沿也进行了探讨。引用文献41篇。
关键词 金纳米颗粒，微阵列，生物检测，评述
2005-08-10收稿；2005-12-03接受
本文系国家863资助项目（No.2004BA519A46）
1 引 言
金纳米颗粒（GNP ）是直径为0.8～250nm ［1］的缔合胶体，具有纳米表面效应、量子效应、宏观量子
隧道效应。按粒子尺寸和聚集情况，GNP 可显示不同的颜色，已被广泛用于光学、电学、电子显微镜检
测的生物分子标记［2］。单个纳米颗粒的尺寸和颗粒间的组装形式，使胶体Au 溶液表现出不同的整体
特征。生物分子可参与到GNP 的聚集和组装过程中，
从而干扰GNP 的原始组装方式。通过胶体Au 溶液最终的物理状态（如颜色、吸光度等）可得到参与组装的生物分子的“质、量”特征，达到检测的目的。另外，GNP 逐渐在生物芯片检测中显现出应用前景。生物芯片技术本身是纳米尺度的分子操作和组装技术，芯片诊断、纳米检测等技术可以在此得到良好的融合。本文着重就GNP 自组装以及GNP 探针-微阵列技术进展作一综述。
2 生物分子辅助的GNP 聚集和组装
2.1 DNA-GNP 探针
灵敏度高、特异性强、快速简单、低成本是生物检测的重要指标。基于GNP 聚集反应的分子诊断方法能满足这些要求。Mirkin 发现DNA 特异杂交可使DNA-Au 颗粒自组装为复合结构，开创了GNP 用
于生物检测的新领域［3］。GNP 经巯基修饰的短链DNA 修饰成为编码探针［4］，溶液中加入目标互补
DNA 后，纳米颗粒发生有序、可逆的聚集反应［5］。聚集后溶液颜色发生红7桃红7紫色变化，几小时出
现桃灰色沉淀（DNA-胶体金沉淀）。该现象是DNA 介导的胶体-胶体键合，其过程是可逆的。系统在没有优化的情况下能检测10fmol 的寡核苷酸。
DNA 修饰的GNP 以非交联结构聚集，对于颗粒表面结合的杂交体末端错配有很好的选择性［6］，可
对单核苷酸多态性（SNP ）进行检测。5个人瘤细胞系的基因组DNA 的检测结果与传统方法（质谱、直接测序）一致。这种方法不需要复杂的设备，为SNP 医护现场诊断、个性化医疗提供了可能。Storhoff 等［7］研究了GNP 距离和光学性质的关系，开发出“杂交-读出”的比色检测方法，鉴别核酸序列。DNA 修饰的金纳米探针识别核酸目标分子后发生颜色变化，可检测到zmol （10-21mol ）级的核酸，不需要目
标分子的扩增或信号放大。S?nnichsen 等［8］采用等离子体耦合对金银纳米颗粒间距进行测量，研究了
金银纳米颗粒二聚体的实时组装以及单个DNA 分子杂交的动力学。
“等离子体标尺”可连续监控分子间距离上限达到70nm ，时间超过50min 。
2.2 非标记DNA 检测
双链DNA （dsDNA ）比单链DNA （ssDNA ）表面负电荷堆积程度高，并且dsDNA 的双螺旋结构使氮（N ）、硫（S ）等对GNP 亲和性高的原子包埋更深，所以ssDNA 和dsDNA 对GNP 有不同吸附力。
Li 等［9，10］据此设计了基于Au 颗粒聚集反应的核酸杂交比色检测方法。ssDNA 可吸附负电荷纳米金颗第34卷
2006年6月 分析化学（FENXI HUAXUE ） 评述与进展
Chinese Journal of Analytical Chemistry 第6期
884～888
粒，其结合速率与序列长度和温度有关。GNP 吸附ssDNA 之后处于稳定状态，不会发生盐离子引起的聚集反应。纳米颗粒对核酸的吸附为静电作用，不需要对Au 颗粒、探针或靶序列进行共价修饰。目标
分子和探针的结合是在溶液中进行的，其杂交时间少于1min ，
整个检测只需5min ，不需借助仪器可检测到小于100fmol （10-15mol ）靶分子。
2.3 蛋白质检测
标准凝胶免疫测定（SPIA ）是基于GNP 的生物特异性聚合和分光光度技术，用于蛋白质的检测。Dykman ［11］报道了一种新型的SPIA 技术方法：采用微量滴定免疫板和酶联免疫吸附测定（ELISA ）阅读器。以15nm Au 颗粒偶联的蛋白A ，检测IgG ，研究比较了新型SPIA 和普通SPIA 。该方法的原理是生物分子-纳米金溶液的消光光谱在目标分子加入前后的变化，可能与Au 颗粒的聚合作用有关。3 GNP 标记与微阵列检测
随着高并行化、微型化检测需求的增长，荧光DNA 芯片在DNA 诊断学方面受到的关注越来越多。荧光检测已被证明为有效可用并得到很好的开发，但它有一些问题难以解决，比如染料的低稳定性、物理化学环境影响到其发光强度、昂贵的检测设备等。基于GNP 标记和银增强技术的微阵列检测技术，方法简单，成本低，信号灵敏、稳定，不受外部环境的影响，有利于微阵列技术在中小型医院的推广和医
护现场检测［12］。
3.1 GNP 标记微阵列检测原理
GNP 与生物活性分子的交联可得到大量新型的标记探针，如：Au-脂质、Au-Ni-NTA 以及Au-ATP 等［13］。GNP 在固体表面的组装定位和金标银增强技术是纳米颗粒-微阵列检测的理论基础。
Csáki 等［14］采用扫描原子力显微镜研究了纳米金颗粒标记DNA 分子在芯片表面的分布和标记情
况。Peschel ［15］研究了GNP 的自组装过程及结构性质，尺寸及结构依赖物理性质。DNA 具有独特的识
别能力和物理化学稳定性，可作为GNP 的连接分子。DNA 修饰的Au 胶体颗粒（1～40nm ）特异性固定在互补DNA 修饰的固体表面，构建出表面nm 结构。
Au-Ag 染色法是一种灵敏特异的可视化检测技术，源自现代照相技术、组织化学和免疫金技术，经
过近10年来的优化组合，现已得到广泛应用［16］。Ag 在Au 标记位点特异性沉淀，是一种光学或电子显
微镜下的低放大率可视化方法。Festag 等［17］对GNP-微阵列检测技术条件进行了优化，研究了不同的
基底清洁、活化以及封闭方法，并优化了纳米颗粒标记及其他程序。
3.2 XNA （DNA 、RNA ）及SNP 检测
Taton 等［18］最先开发出GNP 用于DNA 阵列分析的简单方法，包括寡核苷酸修饰GNP 探针和平板
扫描仪。GNP 标记的寡核苷酸目标分子在固体表面的熔解温度发生改变。寡核苷酸互补序列与单核苷酸错配序列熔解温度的差异，可用于二者的鉴别，选择性是荧光标记方法的3倍。Ag 增强信号放大
方法可提高扫描色度阵列检测系统的灵敏度，超出荧光系统2个数量级。Alexandre 等［19］提出了一种
新型的比色检测方法，使微阵列技术可能成为用于科研和临床中的高效、低成本检测工具。GNP 通过亲和素结合在生物素化的DNA 上，其结果信号产生于Ag +在GNP 表面的还原沉淀。该比色方法与荧
光检测方法相比较，检出限相当，大约为1amol （10-18mol ）生物素化的目标DNA 。Wei 等［20］采用寡核
苷酸和拉曼活性染料标记的GNP 探针实现了寡核苷酸的多重检测。Ag 沉淀形成的Au-Ag 核壳结构可引发染料标记颗粒的表面增强拉曼散射。方法在未优化条件下的检出限为20fmol ，具有高灵敏度和高特异性的特点。采用拉曼标签作为窄带光谱指纹，据此可随意设计所需探针，增加了方法的多重和多比
率检测能力。Bao 等［21］提出了一个微阵列检测方法，可进行多重SNP 分型，不需目标扩增和去复杂性。
该方法依赖于GNP 探针的高灵敏度，不需要酶的参与。特异性源于寡核苷酸和纳米探针的两步夹心杂交。用非扩增人基因组DNA 样品检测3个血栓症基因的可能基因型，表明这种多重SNP 检测方法重现性良好。该阵列检测方法简单、快速、稳健，适于多重SNP 的医护现场检测。
3.3 微生物诊断
微阵列已逐步成为细菌检测和鉴定的新方法，具有高并行性检测的特征，但检测方法的复杂性和灵588第6期逄键涛等：金纳米颗粒聚集以及金纳米探针-微阵列技术研究进展
敏度问题成为技术瓶颈。Francoisa等［22］报道了一种新的检测技术，直接标记细菌总RNA，避免了酶放大的多步反应和可能的偏向性（如PCR）。该研究比较了白光光源性能和2种激光荧光扫描仪检测的可靠性和灵敏度。结果显示：纳米颗粒标记的细菌RNA能产生可重复性的共振光散射信号，强度至少是当前最新的共聚焦荧光信号的50倍。
Wang等［23］开发了一种基于纳米颗粒放大和夹心检测技术的乙肝病毒基因检测芯片，HBV特异性探针固定于玻片表面，与不同血清样本的PCR（聚合酶链式反应）产物杂交，杂交信号能容易地可视化观察。庞代文等［24］采用纳米颗粒基因探针的可视化基因检测技术，采用“纳米放大”和银染色方法，对目标分子夹心杂交进行检测。Ramakrishnan等［25］采用金纳米探针结合微阵列技术检测甲氧西林耐药性金黄色葡萄球菌。以上方法避免了放射性、荧光或目标分子的扩增（PCR），具有简单、快速、灵敏度高、低成本的特点。
3.4 表达谱研究
基于微阵列方法的基因表达分析在现代生物学中起了关键作用，但目前的微阵列基因表达谱大都需要反转录将mRNA转变为标记cDNA或cRNA。在cRNA反转录过程中包括目标放大步骤，克服了普通荧光方法低灵敏度的缺点。Huber等［26］报道了一种基于微阵列无酶扩增的基因表达分析系统，采用非扩增的人总RNA样品作为目标核酸。杂交固定在微阵列表面的RNA分子通过其poly-A尾与oligo-dT
20
修饰的GNP探针杂交，信号由自动金相放大，然后由纳米颗粒介导的光散射检测。纳米颗粒探针灵敏度高，可用少至0.5μg非扩增总RNA杂交进行基因差异表达分析，而不需费时、费力的样品标记。
miRNA的表达谱研究对于miRNA的生物功能研究有重要意义。为避免使用高成本的检测仪器，Liang等［27］在实验中采用了纳米金颗粒探针及Ag增强方法，开发了一种新型的miRNA表达谱微阵列。作者制作了检测11种来自水稻根、叶的miRNA的微阵列模型，有很好的实验重现性并与Northern blot 结果一致。Storhoff等［28］用巯基修饰寡核苷酸的GNP探针，检测互补的目标DNA。玻片表面固定有寡核苷酸捕获探针，用于捕获目标DNA，之后目标DNA通过GNP探针检测。Ag放大后的信号通过简单的光学系统检测散失波诱导光散射。与Cy3荧光标记相比，该方法的信号增强了1000倍。可直接检测微生物的非扩增基因组DNA，并可检测鉴别人基因组SNP。
最近，DNA微阵列方法被开发用于检测多个基因的甲基化状况。Ji等［29］开发了一种linker-PCR检测4种基因的甲基化状况的微阵列。GNP是通过亲和素结合在生物素化的DNA上的，Ag+在纳米金颗粒表面还原沉淀，可检测0.1fmol的目标DNA。实验结果与甲基化特异的PCR（MSP）和双硫DNA测序结果一致。因此它可作为一种价格低廉、有用的灵敏检测工具，用于多基因甲基化检测。
3.5 蛋白质检测
蛋白微阵列杂交可以用许多种方法来检测，实用性差，难于推广，原因是这些方法都需要大型、昂贵的仪器设备。Han等［30］开发出一种基于GNP标记抗体的简单、便宜的检测方法，信号可通过商品化的办公用桌面平板扫描仪可视化获得。扫描电子显微镜研究显示：平板扫描仪得到的信号与抗体-金结合的表面密度有关，平板扫描仪可检测6amol的抗体-金颗粒偶联物。该检测系统用于竞争免疫检测水样中农药残留代谢物BAM浓度，结果证明金标抗体检测方法与荧光免疫测定法的性能相当。Guo等［31］在实验中综合了“一步”双单克隆抗体夹心法、低密度蛋白阵列、Au标记Ag增强技术，对心肌钙蛋白I （cTnI）进行纳米金探针免疫测定。检测过程包括免疫反应和Ag放大两步反应。结果用平板扫描仪或肉眼观测。整个过程在40min内完成，而常规ELISA方法需要3h，两种方法的灵敏度大体相同。
GNP标记的高灵敏度、磁珠富集分离技术，两者结合可以极大提高检出限。Mandal［32］成功地在
80℃胶乳水介质中合成了Fe
4O
3
纳米颗粒（约13nm），并在其表面镀了金薄层，厚度通过调整反应液成
分控制。Nam等［33，34］开发了一种超灵敏的检测蛋白样品的方法。该系统包括：磁微粒表面修饰第一抗体，GNP表面修饰了条码DNA和第二抗体；有目标蛋白存在时，磁微粒、金纳米探针、目标蛋白形成夹心结构。复合物经磁场分离，富集的金纳米探针热变性，释放条码DNA，对其进行无PCR或PCR检测，间接检测目标蛋白，检出限分别达到30amol和3amol。作为一个例子，他们采用生物条形码方法在30个人脑脊液中检测了阿尔兹海默病（AD）病原标志物（ADDL），而ADDL或其它AD标记物由于在体688分析化学第34卷
内含量很低，传统方法不能检测（<1pmol /L ）。
本课题组采用Au 标记Ag 增强技术结合微阵列技术，检测了艾滋病病毒的4种抗体［35］，并开发了
几种便携式读出装置和软件系统。
4 总结与展望
微阵列诊断的应用领域将不断拓展，特别是在一些瓶颈问题（如重现性和标准化）得到解决之后。而这些问题主要与现有的荧光标记方法有关，所以任何标记方法的改进都将有益于芯片诊断技术的推广。如果这些问题得到解决，芯片诊断技术将得到推广并实现更高的并行性检测，其结果是开发出适合于个人使用、成本更低的检测仪器，并能够从中获得更多的诊断信息。GNP 具有高稳定性，可以作为光学芯片技术开发中的优选方法。它作为稳健的信号系统在前期的基础研究中已得到证明，可能成为仅次于或相当于荧光标记的标记技术。荧光标记技术已被广泛地长期应用，也比纳米颗粒有自身优势，如多标记和小分子尺寸。因此，荧光和GNP 将会并行采用。
除光学检测之外，GNP 增强的电化学方法也显示了美好的前景［36］。比如，GNP 修饰的寡核苷酸与
捕获探针结合后导致导电率变化，据此开发出一种DNA 微阵列检测方法［37］。在电极的夹缝内固定捕
获探针，目标分子结合后，GNP 处于电极间的缝隙内，Ag 在GNP 的还原沉淀造成导电率的变化。通过前后的电阻测定，可检测其杂交信号。这种方法DNA 的检出限可达500fmol 。现在的光学检测装置可
能会被低成本、易集成的微型接触式仪器所替代。另外，表面等离子共振（SPR ）［38］、石英晶体微天平
（QCM ）［39］、拉曼共振波［40］以及GNP 淬灭荧光检测［41］等方法也有报道。
不同尺寸和形状的GNP 可能表现出许多新奇的纳米特征。另外，
GNP 与生物大分子在不同条件下的相互作用将成为以后的研究趋势。这两个研究领域的进展将产生GNP 在生物医疗、生物诊断方面的应用潜力。GNP 以其独特的性质，在纳米科学、微型化分析技术等方面有着越来越多的应用。它的生物相容性好、标记及检测方法简单，适于开发医学救护现场检测设备。随着对其物理化学性质和纳米介观效应的深入研究，GNP 在生物分子检测领域将具有美好的前景。
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Development of the Aggregation of Gold Nanoparticles
and Nanoprobe-Microarrays Technologies
Pang Jiantao，Wen Siyuan，Wang Shengqi#
（Institute of Radiation Medicine，Academy of Military Medical Sciences，Beijing100850）
Abstract Gold nanoparticle（GNP）probes have aroused more and more interest recently.Here we review the application and advancement of GNP probes in bioassay，which focuses on the aggregation of GNP and microarray detection.The concerned electrochemical and other methods have also been discussed.41papers ware cited.
Keywords Gold nanoparticle，microarray，bioassay，review
（Received10August2005；accepted3December2005）
金纳米探针
【摘要】由于金纳米粒子（AuNPs）具有与大小、形状和聚集程度相关的物理和化学特性，被广泛应用于各种生物分析和生物医学检测技术中，并发展成具有高选择性、高灵敏度的生物分析检测手段。以AuNPs为探针的分析方法通常具有简单、快速、灵敏度高的优点，并能应用于实际样品检测. 【关键词】金纳米粒子；探针；合成与修饰； 1 引言 纳米技术与化学、生物学、物理学和医学等领域的结合，对分析科学和生命科学领域的超灵敏检测和成像方法的发展起着越来越重要的 作用。由于AuNPs具有独特的光学性质（表面等离子体吸收和共振光散射）、易进行表面修饰以及良好的生物相容性（通常认为裸AuNPs 是无生物毒性的，而修饰后的AuNPs的生物毒性由其配体决定），因此功能化AuNPs的应用领域不断被拓宽，特别是其在生物分析和生物医药等领域的应用引起了人们广泛关注[2，3]。本文综述了生物分子修饰的AuNPs探针的合成及其在检测金属离子、小分子、DNA、蛋白质和细胞内分析等方面的新进展，以若干应用实例突显一些技术突破及发展趋势。 2 金纳米粒子的合成、稳定性和功能化 2.1 金纳米粒子的合成方法 金纳米粒子的制备方法可分为化学法和物理法。化学法是以金的化合物为原料，在还原反应生成金纳米粒子时控制粒子的生长，使其维持纳米尺度。化学合成法包括氧化还原法、电化学法、晶种法、模板法、
微乳液法、微波合成法和光化学法等，其中最具代表性并被广泛应用的有：（1）Turkevich-Frens法，即在100 ℃下，通过改变还原剂（柠檬酸钠）和三价金的化合物（氯金酸或氯金酸钠）的比例来控制AuNPs 粒径的大小，从而获得粒径在10~60 nm范围内且分散性较好的AuNPs。该方法制备程序简单，且包裹在AuNPs表面的柠檬酸根容易被其它配体置换（如巯基修饰的DNA等）；（2）Brust-Schiffrin 法，即在两相（液/液）体系或单相体系中，以四正辛基溴化铵（TOAB）为相转移剂，将三价金的化合物（氯金酸或氯金酸钠）转移到有机相中，以烷基硫醇为稳定剂，NaBH4为还原剂，制备粒径为1~8 nm的AuNPs；硫醇/金盐的比例越大、加入还原剂速度越快，冷却溶液可以制得尺寸更小和单分散性更好的粒子，进一步通过配体交换反应改变AuNPs表面的配体而实现其功能化；（3）聚合物保护法：通常以含有聚乙二醇、硫醇或硫醚基团的聚合物为配体，以NaBH4为还原剂，制备水溶性或具有疏水性的粒径小于10 nm的AuNPs。聚合物稳定剂决定纳米粒子的溶解性；例如，采用硫醚或硫醇修饰的聚合物配体（烷基硫醚终端修饰的聚甲基丙烯酸等）一步法合成了具有高分散性的粒径小于5 nm的AuNPs，粒子的大小和分散性可以通过改变聚合物的结构、浓度和配体上能与金属结合的基团个数来控制，并且可以将粒径为1.1~1.7 nm的无荧光纳米粒子转变为荧光纳米粒子。物理法是利用各种技术将块状固体金分散为金纳米粒子，包括真空沉积法、电分散法、激光消融法等[12]。物理法容易控制AuNPs的形状并能获得图案化的AuNPs的阵列，但通常需要特殊的设备和技术，
生物纳米探针构建哪家好
这是很多人比较关心的问题。纳米探针由信号组件与亲和组件构成，前者指分子或纳米粒子等成像对比剂或标记物，后者指配体或抗体等特异性分子，使其与成像靶点特异性结合，利用高成像技术获得分子信息，纳米探针结合治疗还可以实现靶向治疗一体化。先丰纳米作为专业的生物纳米探针构建厂家，下面就简单的介绍生物纳米探针构建服务。 一、纳米探针组成 纳米颗粒（信号组件）+分子探针（识别组件） 二、用于构建纳米探针的材料如下： 1.磁性纳米颗粒作为磁共振造影剂 2.半导体量子点作为光学造影剂 3.金纳米颗粒作为CT造影剂/拉曼探针/光声探针 4.微气泡作为超声造影剂等 三、案例： 1. 纳米颗粒表面修饰DNA探针的制备与表征。 2.金纳米笼的多模态靶向分子探针的制备与表征。 3.PEG化磁性纳米颗粒的诊疗一体化分子探针的制备与表征。 4.蛋白载体的多模态分子探针制备及肿瘤靶向成像研究。
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基于金纳米粒子探针可视化检测基因点突变
基于金纳米粒子探针可视化检测基因点突变 2016-06-30 12:47来源：内江洛伯尔材料科技有限公司作者：研发部 纳米金识别单链和双链DNA过程示意图 基因点突变分析是分子生物学的一个重要话题. 在传统的点突变检测方法中,常采用各种标记探针, 如放射性元素探针、荧光色素探针及酶标记探针等; 或采用各种染色方法, 例如溴化乙锭(ethidium bromide,EB)染色. 这些技术大都存在着操作复杂、费时或费用昂贵等缺点, 因此发展一种简便、快速、低成本的基因检测方法具有重要意义. 目前, 纳米金(gold nanoparticles, Au-nps)作为一种新型的色团报告分子已被应用于基因检测中. 一方面,纳米金具有高的消光系数.例如, 尺径为 13和50 nm的金颗粒在波长为520 nm处的消光系数分别为2.7×108和1.5×1010 mol?L－1?cm－1, 它比常规有机发光团分子的消光系数高3～5个数量级; 另一方面, 纳米金的光学性质依赖于粒子直径以及间距, 由于纳米金胶颜色与粒子的聚集程度有密切关系, 根据其聚集程度的不同, 颜色可由酒红色逐渐变成粉色,紫色或灰色等. 纳米金表面修饰一段寡核苷酸序列制成纳米金探针, 在靶基因序列识别及单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism,SNP)分析中取得了显著的效果, 其中Mirkin等在纳米金探针的应用上开展了一系列具有开创性的工作. Rothberg等在2004年发展了一种新颖的纳米金比色基因检测(colorimetric detection)方法. 该法直接采用纳米金作为比色报告基团, 根据单链DNA (single-stranded DNA, ss-DNA)和双链DNA (double-stranded DNA, ds-DNA)与纳米金存在不同的静电作用, 即可实现对特定基因序列的识别及单核苷酸多态性的分析. 该法的检测原理如图所示. 单链和双链DNA具有不同的结构, 因此与纳米金存在不同的静电作用力; 单链DNA与纳米金之间存在的范德华力使单链DNA能够被吸附到纳米金颗粒表面,且吸附的速率与单链长度及环境温度有关; 而双链DNA 由于其骨架中带负电的磷酸根基团(PO43－)暴露在外, 与表面带负电荷的纳米金颗粒之间存在静电斥力, 使双链不能被吸附到纳米金颗粒表面. 表面吸附了DNA的纳米金能在较高浓度的盐溶液中不发生聚集. 因此, 纳米金在盐溶液的调控下能够比色识别单链和双链DNA, 进而达到判断基因是否发生杂交及分析单核苷酸多态性的目的. 等位基因特异性扩增(Allele-specificamplification,ASA)是利用DNA延伸过程中3'端碱基的特殊重要性所设计的扩增技术, 用于对已知突变基因进行检测, 是聚合酶链式反应(polymerase chainreaction, PCR)技术应用的发展. 等位特异性
SERS标记的金纳米棒探针用于免疫检测
2009年第67卷化学学报V ol. 67, 2009第14期, 1603～1608 ACTA CHIMICA SINICA No. 14, 1603～1608 * E-mail: jwhu@https://www.360docs.net/doc/5a17404572.html, Received March 2, 2009; revised April 5, 2009; accepted May 7, 2009.
1604化学学报V ol. 67, 2009 荧光谱峰较宽, 信号的选择性相对较差; 若用荧光分子标记, 还存在光解和光致褪色现象, 因而荧光标记技术亦有其局限性. 基于表面增强拉曼散射(SERS)的SERS 标记技术是一种光谱标记技术, 始建立于20世纪80年代末[8]. 它利用金或银等贵金属纳米颗粒来增强/放大表面吸附的拉曼活性分子的拉曼信号(即SERS), 以拉曼活性分子的SERS信号作为读出示踪信号. 近年来随着纳米科技的快速发展, SERS标记技术已引起了国内外科学家的广泛关注[9,10]. 首先, 拉曼光谱具有高度的分子特征性, 且谱峰窄, 能减小不同分子间的谱峰重叠. 其次, 在多元检测中一种波长的激发光就能激发出不同的拉曼活性分子的谱峰. 第三, SERS信号很少受光漂白的影响, 可在一定程度上为获得较好的SERS信号而延长积分时间. 第四, SERS信号不象荧光分子那样易发生自淬灭现象, 可通过增加拉曼活性分子数目来提高信号强度, 从而提高免疫检测的灵敏度. 目前, SERS免疫检测呈现几个基本的发展趋势[11]. 第一, 如何解决SERS标记免疫探针在固体基底上非特异性吸附造成的“假阳性”问题. SERS免疫检测的基本方法是标记抗体, 待测抗原和俘获抗体之间形成“三明治”夹心结构. 理想情况下, 探针上的抗体通过抗体和抗原之间的特异性免疫反应连接到俘获抗体上. 除此以外的吸附为非特异性吸附, 由此造成假阳性和背景信号升高等. 通常可利用牛血清白蛋白来封闭固体基底上的空位以减少非特异性吸附. 第二, 实现从单组分到多组分检测. Ni等[12]最早尝试了双组分检测. 国内顾仁敖课题组[13]也成功地进行了二组分检测, 并初步进行了三组分检测的尝试[11]. 第三, SERS探针的表面修饰. SERS 纳米探针的表面修饰可以减少标记分子从纳米颗粒表面脱落, 提高信号的稳定性, 并能有效减少探针的非特异性吸附问题. 除此以外, 探针还应具备水溶性、抗团聚和生物亲和性的特点. 目前, 表面修饰的发展趋势是从第一代裸纳米颗粒探针[12～15]到第二代的SiO2修饰的探针[10], 再到第三代高分子包覆的纳米探针[16]. 我们在前期的工作中已明确: 可将胶体的空间稳定理论作为设计制备各类纳米探针的理论依据[17], 即将生物亲和性高分子吸附在纳米颗粒/探针上, 以其提供的空间稳定来取代探针原来的电荷稳定机制. 由于稳定机制不同, 高分子稳定的纳米探针可以耐受高浓度盐等苛性条件而不团聚, 还可提供水溶性和生物亲和性等诸多优异的性能. 第四, 提高免疫检测的灵敏度. 由前述SERS免疫检测的基本方法可知, 提高免疫检测灵敏度实际上就是要提高SERS信号强度. 因此通常选择具有较大拉曼散射截面的分子作为标记分子. 除此以外, 另一个方案是全面借鉴SERS领域的研究成果, 采用具有较强增强能力的纳米颗粒来制备探针. 如Porter等[18]采用60 nm 的金颗粒来制备SERS免疫探针. Cao等[19]和徐等[20,21]则利用银染色技术来提高SERS信号. Cui等[22]采用表面具有孔洞的银核金壳颗纳米粒子来制备探针. Ji等[23]则采用金核银壳纳米颗粒来制备探针, 可通过改变Au/Ag 核与壳的厚度从而获得强的SERS信号. Sanles-Sobrido 等[24]采用颗粒聚集体来制备探针. 金纳米棒有着独特的光学性质, 并且在医学、传感和化学分离等方面有很好的应用前景, 近年来已成为人们研究的热点[25]. 金纳米棒有两个等离子体共振(SPR)吸收带: 横向SPR吸收峰和纵向SPR吸收峰, 其中纵向等离子体吸收峰的位置可以随其长径比的增大而逐渐红移[25]. 金纳米棒SPR的这种可调性使其能作为很好的SERS基底. 因为按照SERS的电磁场增强机制, 当激发光和SPR共振时, 可以最大程度提高单个纳米颗粒的增强能力[26]. 我们最近的实验和理论计算也证实: 当金纳米棒纵向SPR与632.8 nm的激发光耦合时, 其增强能力确实比耦合程度小或没有耦合时强[27]. 因而, 我们制备了长径比为2.5的金纳米棒, 使其纵向SPR和632.8 nm的激发光耦合. 并以此金纳米棒来制备SERS纳米探针, 进行SERS免疫检测研究. 1 实验部分 1.1 实验试剂 氯金酸、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、硼氢化钠、硝酸银、抗坏血酸(AA)均为分析纯, 购自上海国药集团化学试剂有限公司. N,N'-二环己基碳酰亚胺(DCC)为分析纯, 购自上海共价化学科技有限公司. 对巯基苯甲酸(MBA)、3,3'-二硫代二丙酸(99%)、N-羟基丁二酰亚胺(NHS)购自Aldrich公司. 羊抗鼠IgG、小鼠IgG、牛血清蛋白(BSA), PBS缓冲液(pH＝7.2)购自北京鼎国生物技术有限责任公司. α-甲氧基-ω-巯基聚乙二醇(mPEG-SH, M W＝5000)由北京建凯科技有限公司特定合成. 四氢呋喃(THF)、丙酮、正己烷购自天津大茂化学试剂有限公司. 玻璃镀金基底由中国科学院安徽光学精密机械研究所提供. 先在清洗干净的玻璃片基底上真空镀上Ni-Cr层, 其上再镀上金. 实验用水为Mini-Q超纯水, 电阻率大于18.0 MΩ?cm－1. 1.2 3,3'-二硫代二丙酸丁二酰亚胺酯(DSP)的制备 0.4836 g 3,3'-二硫代二丙酸(2.3 mmol)溶于50 mL THF中, 向其中加入0.575 g (5 mmol) NHS, 在0 ℃下再加入1.03 g DCC (5 mmol), 在冰浴条件下搅拌反应36 h. 过滤除去副产物N,N'-二环己基脲(DCU), 将滤液旋转蒸发除去THF. 用丙酮/正己烷重结晶两次后得到白色固
1.3.3 功能化纳米探针在生物传感器、细胞分析中的应用
功能化纳米探针在生物传感器、细胞分析中的应用 1 功能化纳米探针在生物传感器中的应用 伴随着纳米技术的迅速发展，各种各样的组成、尺寸、大小、维度及形状的纳米材料被可控的修饰上不同的生物分子，用于发展特殊性质的纳米探针。生物传感方法己经成为发展速度较快的方法，由于其具有灵敏度高、响应速度快、和操作简易等特点。传感的原理基本上都是通过将纳米探针，的识别单元与待测物质结合过程转变为产生的光学、电化学、Roman 等信号的变化。 一些生物小分子如半胱胺酸、谷胱甘肽等在可逆氧化还原、细胞的解毒及代谢中起到了重要的作用，多巴胺等神经递质是人中枢神经系统中不可缺少的环节，AP肽与阿尔茨海默病（AD）密切相关，这些小分子的检测有利于一些疾病的早期诊断和监控。 1.1 荧光纳米探针用于蛋白质的分析 一般都是利用功能化的荧光纳米材枓与另一种生物分子修饰的有机物或者纳米材料先通过能量转移使荧光猝灭，当目标物引入时，由于和修饰的生物分子更强的作用力，使得猝灭的部分离开荧光性的纳米材料表面，纳米材料的荧光性质发生改变检测到目标蛋白。这种方法己经具有普适性，应用在蛋白或者其他生物大分子的分析检测中。 1.2 对核酸的分析检测 发展核酸传感器两个基本的目标是要求所构建的传感器具有高的灵敏度，而且具有高的特异性。性能优良的核酸传感器要能够在低浓度的情况下对核酸进行检测，并具有区别单个碱基错配的能力。在选择性方面，分子信标和肽核酸（PNA）具有很强的优势。相对于线性分子探针，分子倍标杂交存在一个动力学竞争过程，具有更好的选择性和区别单个碱基错配能力。为了实现高灵敏的检测，引入新的信号放大技术尤为重要。 纳米材料由于大的比表面积，可以提供更多的生物分子识别位点；并且可以通过改变尺寸、形状、组成而改变其物理化学性质；同时稳定性高具有较好的生物相容性、结合生物分子的能力等特点。伴随着纳米技术的迅速发展，各种各样的组成、尺寸、大小、维度及形状的纳米材料被可控的修饰上不同的生物分子，用于发展特殊性质的纳米探针，进行信号放大。 金纳米颗粒（AuNPs）是最常见的用于核酸传感分析中的载体，因为它可以很方便的通过巯基或氨基官能团与核酸或蛋白质等大分子进行功能化后得到生物相容性好的纳米复合物探针。利用DNA碱基互补配对原则，可控性地在空间上组装纳米金，AuNPs-DNA复合物体系对DNA检测是近二十几年来发展起来的一种简便、快速的传感方法。 Mirkin课题组在1996年首次报道了DNA修饰纳米金（DNA-AuNPs）这种新型的生物纳
金纳米颗粒聚集以及金纳米探针 微阵列技术研究进展
金纳米颗粒聚集以及金纳米探针-微阵列技术研究进展 逄键涛 文思远 王升启# （军事医学科学院放射与辐射医学研究所，北京100850） 摘 要 金纳米颗粒 （GNP ）探针正引起科学家们越来越多的兴趣。本文主要综述了基于GNP 自组装聚集反应的生物检测和微阵列-金标银染检测的最新进展，对GNP 在电化学等其他领域的研究前沿也进行了探讨。引用文献41篇。 关键词 金纳米颗粒，微阵列，生物检测，评述 2005-08-10收稿；2005-12-03接受 本文系国家863资助项目（No.2004BA519A46） 1 引 言 金纳米颗粒（GNP ）是直径为0.8～250nm ［1］的缔合胶体，具有纳米表面效应、量子效应、宏观量子 隧道效应。按粒子尺寸和聚集情况，GNP 可显示不同的颜色，已被广泛用于光学、电学、电子显微镜检 测的生物分子标记［2］。单个纳米颗粒的尺寸和颗粒间的组装形式，使胶体Au 溶液表现出不同的整体 特征。生物分子可参与到GNP 的聚集和组装过程中， 从而干扰GNP 的原始组装方式。通过胶体Au 溶液最终的物理状态（如颜色、吸光度等）可得到参与组装的生物分子的“质、量”特征，达到检测的目的。另外，GNP 逐渐在生物芯片检测中显现出应用前景。生物芯片技术本身是纳米尺度的分子操作和组装技术，芯片诊断、纳米检测等技术可以在此得到良好的融合。本文着重就GNP 自组装以及GNP 探针-微阵列技术进展作一综述。 2 生物分子辅助的GNP 聚集和组装 2.1 DNA-GNP 探针 灵敏度高、特异性强、快速简单、低成本是生物检测的重要指标。基于GNP 聚集反应的分子诊断方法能满足这些要求。Mirkin 发现DNA 特异杂交可使DNA-Au 颗粒自组装为复合结构，开创了GNP 用 于生物检测的新领域［3］。GNP 经巯基修饰的短链DNA 修饰成为编码探针［4］，溶液中加入目标互补 DNA 后，纳米颗粒发生有序、可逆的聚集反应［5］。聚集后溶液颜色发生红7桃红7紫色变化，几小时出 现桃灰色沉淀（DNA-胶体金沉淀）。该现象是DNA 介导的胶体-胶体键合，其过程是可逆的。系统在没有优化的情况下能检测10fmol 的寡核苷酸。 DNA 修饰的GNP 以非交联结构聚集，对于颗粒表面结合的杂交体末端错配有很好的选择性［6］，可 对单核苷酸多态性（SNP ）进行检测。5个人瘤细胞系的基因组DNA 的检测结果与传统方法（质谱、直接测序）一致。这种方法不需要复杂的设备，为SNP 医护现场诊断、个性化医疗提供了可能。Storhoff 等［7］研究了GNP 距离和光学性质的关系，开发出“杂交-读出”的比色检测方法，鉴别核酸序列。DNA 修饰的金纳米探针识别核酸目标分子后发生颜色变化，可检测到zmol （10-21mol ）级的核酸，不需要目 标分子的扩增或信号放大。S?nnichsen 等［8］采用等离子体耦合对金银纳米颗粒间距进行测量，研究了 金银纳米颗粒二聚体的实时组装以及单个DNA 分子杂交的动力学。 “等离子体标尺”可连续监控分子间距离上限达到70nm ，时间超过50min 。 2.2 非标记DNA 检测 双链DNA （dsDNA ）比单链DNA （ssDNA ）表面负电荷堆积程度高，并且dsDNA 的双螺旋结构使氮（N ）、硫（S ）等对GNP 亲和性高的原子包埋更深，所以ssDNA 和dsDNA 对GNP 有不同吸附力。 Li 等［9，10］据此设计了基于Au 颗粒聚集反应的核酸杂交比色检测方法。ssDNA 可吸附负电荷纳米金颗第34卷 2006年6月 分析化学（FENXI HUAXUE ） 评述与进展 Chinese Journal of Analytical Chemistry 第6期 884～888
金纳米粒子探针的合成及应用(一)
金纳米粒子探针的合成及应用(一) 作者：马立娜刘殿骏王振新 【摘要】由于金纳米粒子（AuNPs）具有与大小、形状和聚集程度相关的物理和化学特性，被广泛应用于各种生物分析和生物医学检测技术中，并发展成具有高选择性、高灵敏度的生物分析检测手段。以AuNPs为探针的分析方法通常具有简单、快速、灵敏度高的优点，并能应用于实际样品检测。本文综述了目前生物分子修饰的AuNPs探针的合成及其在检测金属离子、小分子、DNA、蛋白质和细胞内分析等方面的应用。 【关键词】金纳米粒子；探针；合成与修饰；评述 AbstractDuringlastdecade，goldnanoparticled(AuNPs)-basedassayshavebeenwell-developedandwidelyusedinbiologicalanalys isandbiomedicaldetectionbecauseAuNPshaveuniquephysicalandchemicalpropertieswhichdepend onthesize，shapeanddegreeofaggregation.TheAuNPs-basedassayshavealreadybeenemployedfordetectingpra cticalsampleswithhighsimplicityandselectivity.Thisreviewdiscussestherecentlydevelopmentofthes ynthesisandbiologicalmolecularfunctionalisationofAuNPsandtheirapplicationsontheheavymetallic cations，smallorganiccompounds，nucleicacidsandproteinsdetectionandcellularanalysis. KeywordsGoldnanoparticles；Probe；Synthesisandfunctionalization；Chemicalsensing；Review 1引言 纳米技术与化学、生物学、物理学和医学等领域的结合，对分析科学和生命科学领域的超灵敏检测和成像方法的发展起着越来越重要的作用1~5]。由于AuNPs具有独特的光学性质（表面等离子体吸收和共振光散射）、易进行表面修饰以及良好的生物相容性（通常认为裸AuNPs 是无生物毒性的，而修饰后的AuNPs的生物毒性由其配体决定），因此功能化AuNPs的应用领域不断被拓宽，特别是其在生物分析和生物医药等领域的应用引起了人们广泛关注2，3]。本文综述了生物分子修饰的AuNPs探针的合成及其在检测金属离子、小分子、DNA、蛋白质和细胞内分析等方面的新进展，以若干应用实例突显一些技术突破及发展趋势。 2金纳米粒子的合成、稳定性和功能化 2.1金纳米粒子的合成方法 金纳米粒子的制备方法可分为化学法和物理法。化学法是以金的化合物为原料，在还原反应生成金纳米粒子时控制粒子的生长，使其维持纳米尺度。化学合成法包括氧化还原法、电化学法、晶种法、模板法、微乳液法、微波合成法和光化学法等2]，其中最具代表性并被广泛应用的有：（1）Turkevich-Frens法6，7]，即在100℃下，通过改变还原剂（柠檬酸钠）和三价金的化合物（氯金酸或氯金酸钠）的比例来控制AuNPs粒径的大小，从而获得粒径在10~60nm范围内且分散性较好的AuNPs。该方法制备程序简单，且包裹在AuNPs表面的柠檬酸根容易被其它配体置换（如巯基修饰的DNA等）2，4]；（2）Brust-Schiffrin法8，9]，即在两相（液/液）体系或单相体系中，以四正辛基溴化铵（TOAB）为相转移剂，将三价金的化合物（氯金酸或氯金酸钠）转移到有机相中，以烷基硫醇为稳定剂，NaBH4为还原剂，制备粒径为1~8nm的AuNPs；硫醇/金盐的比例越大、加入还原剂速度越快，冷却溶液可以制得尺寸更小和单分散性更好的粒子，进一步通过配体交换反应改变AuNPs表面的配体而实现其功能化；（3）聚合物保护法：通常以含有聚乙二醇、硫醇或硫醚基团的聚合物为配体，以NaBH4为还原剂，制备水溶性或具有疏水性的粒径小于10nm的AuNPs。聚合物稳定剂决定纳米粒子的溶解性；例如，文献10，11]采用硫醚或硫醇修饰的聚合物配体（烷基硫醚终端修饰的聚甲基丙烯酸等）一步法合成了具有高分散性的粒径小于5nm的AuNPs，粒子的大小和分散性可以通过改变聚合物的结构、浓度和配体上能与金属结合的基团个数来控制，并且可以将粒径为1.1~1.7nm的无荧光纳米粒子转变为荧光纳米粒子。
金纳米棒的表面改性及其在生物医学领域的应用
进展评述 金纳米棒的表面改性及其在生物医学领域的应用 杨玉东 徐菁华 杨林梅 (沈阳工业大学理学院 沈阳 110870) 摘 要 各向异性的金纳米棒由于具有独特的光学性质,在生物医学领域得到了日益广泛的应用。本文综述了金纳米棒的表面改性及其在生物标记与识别、生物成像、癌症诊断和光热治疗等领域中的应用。 关键词 金纳米棒 表面改性 生物医学 Prepara ti on s and Surface M od i f i ca ti on s of Gold Nanorods for B i om ed i ca l Appli ca ti on s Yang Yudong,Xu J inghua,Yang L inmei (Shenyang University of Technol ogy,Shenyang110870) Abstract Because of its unique op tical p r operties,the anis otr op ic gold nanor ods have been widely used in bi omedical.The surface modificati ons of gold nanor ods and their app licati ons in the fields of bi omedical including bi orecogniti on,bi ol ogical i m aging,and cancer diagnosis and phot other mal therapy are su mmarized. Keywords Gold nanor ods,Surface modificati on,B i omedical 各向异性的金纳米棒(Gold nanor ods,Au NR s),由于其长径比可调,具有化学和光学上的各向异性[1],作为一类新的金纳米粒子已经引起材料科学和生命科学领域的巨大兴趣。在可见光区和近红外区,Au NR s具有横向和纵向表面等离子体共振峰(Surface Plas mon Res onance,SPR)[2～3],且在近红外区的等离子体表面的纵向吸收峰可实现人为调控,对光有强的吸收,以更高效率发出荧光和更强的散射光。 近红外光在生物化学和医学领域的应用中是一个强有力的工具,近红外波长范围正是生物组织具有的光学窗口。使用Au NR s和近红外光不仅能够在体外和体内两次发光成像[4],而且近红外激光照射可以控制Au NR s与质粒DNA络合物中的质粒DNA的释放[5]。另外,笔者还发现[6],近红外激光照射可将Au NR s重新塑型到球形纳米粒子。这种光照反应对于新型的基因传递具有潜在的作用。因此,Au NR s作为细胞成像的探针、光热治疗的载体或基因传递的功能材料是可行的[7,8]。 在应用于生物化学和医学领域中时,要求包含Au NR s在内的各种纳米粒子具有生物相容性和胶体稳定性。在Au NR s制备方法中,十六烷基三甲基溴化铵(CT AB)不仅是支持电解质,而且还是Au NR s的稳定剂和保护剂,得到的Au NR s表面都吸附有CT AB涂层[9]。但是,Au NR s溶液中的CT AB具有高毒性[10],会干扰生物过程,阻碍Au NR s与生物分子的偶联[11]。为了改进Au NR s的生物相容性,如何消除CT AB的影响、实现生物修饰是Au NR s在涉及生物体系应用中需要解决的关键问题。本文重点论述Au NR s的表面修饰及其在生物医学领域中的应用,并展望了它的发展趋势和应用前景。 Au NR s的表面改性有两种途径:一是表面改性材料与粒子表面依靠化学键结合,这通常是指一些小分子化合物;二是用主要包括表面活性剂、高分子材料、DNA生物分子及二氧化硅等有机或无机材料直接包裹Au NR s。 2009204215收稿,2009206229接受
点印迹法中的金纳米粒子探针
点印迹法中的金纳米粒子探针 2016-09-04 12:17来源：内江洛伯尔材料科技有限公司作者：研发部 金纳米粒子探针 这种分析方法主要利用金纳米粒子本身具有颜色，对白色基底（如硝化纤维膜）上点样点处的待检测物，进行染色定量分析。金纳米粒子表面需要修饰上，特定可以和待检测物结合的探针分子；待检测物通过吸附或其他方法附着固定在基底上，形成含有不同量待检测物的点样点。基底上样品点之外部分进行了封闭，尽量减少金纳米粒子在表面的非特异性吸附造成的干扰。将点样点在分散有修饰探针分子的金纳米粒子溶液中进行孵育，充分结合后取出，此时依据点样点上所固定的待检测物的量多少，结合了相应数量的金纳米粒子。再将点样点浸泡在银离子溶液中，银离子会在金纳米粒子表面沉积，使原有的颜色进一步加深，而结合的金纳米粒子越多，银沉积的也越多，有利于进一步增加信号灵敏度。 台湾国立台北大学Chun－Yen Huang等人利用点印迹法进行了免疫检测。他们合成了表面修饰有可以结合待检测分子的抗体（即探针分子）的金纳米粒子。检测时，将一定体积含有待检测分子的溶液滴在白色硝化纤维膜上，待检测分子可以吸附固定于膜表面；然后将膜在含有修饰了探针分子的金纳米粒子溶液中孵育，通过待检测分子－抗体的结合将金纳米粒子连接固定到膜表面。膜上金纳米粒子颜色越深，则该点样点处待检测分子越多，由此可以实现定量检测。
为了进一步增加检测灵敏度，他们在金纳米粒子表面沉积银，放大检测信号。实验比较表明，通过银沉积放大，可以将检测灵敏度提高1000倍（从100 amol 到100 zmol）。这个方法可以扩展到很多免疫检测上，只要在金纳米粒子表面修饰合适的抗体作为探针分子。 长春应用化学研究所汪尔康小组通过点印记阵列的方法，实现了对蛋白质凝血酶的简便、快速和灵敏的检测。该工作的一个特点是使用点印记法，另一个特点为采用适配子作为蛋白质检测探针。适配子一般是指具有特定序列，能特异性结合生物分子，如蛋白质或者小分子的单链DNA。蛋白质与对应适配子的结合，具有可以比拟“抗原-抗体结合”的特异性和结合常数，而适配子的合成、纯化非常简单，因此近年来适配子被普遍应用于蛋白质的检测。Wang等首先合成了粒径约13nm的金纳米粒子，再将其表面修饰上凝血酶的适配子。检测时，将含有待检测物凝血酶的溶液滴在硝化纤维膜（nitrocellulose membrane）上。凝血酶通过静电、疏水作用而固定在硝化纤维膜表面，再将膜上空余部分用10%牛血清白蛋白（BSA）封闭，减少其后金纳米粒子的非特异性吸附。然后，将硝化纤维膜浸泡在含有适配子修饰的金纳米粒子溶液中孵育。此时金纳米粒子便会和硝化纤维膜表面的凝血酶结合，凝血酶越多，结合的金纳米粒子越多，则该处颜色越深。经过银沉积到金纳米粒子上，可以进一步增加检测灵敏度。他们还检测了模拟实际样品的凝血酶含量，发现含有低于8%的血浆不会明显降低检测效果，但是10%以上的血浆会干扰检测。 以上点印迹法的检测灵敏度有了很大提高，但是仍需要训练有素的专业人员进行检测操作。为了进一步提高方法的实用性，有必要简化操作过程，降低复杂程度，以便日常家庭中的使用。
纳米金的应用
纳米金的应用 拓少杰 （陕西理工学院化学与环境科学学院应用化学1202班，陕西汉中723001） 指导教师：吴睿 [摘要]纳米金作为纳米家族的重要成员，除了具有纳米材料的一般性质外，还具有良好的光学特性、生物相容性及催化活性等独特的物理、化学性质。纳米金这些特殊的性质，使其在化学、生物、医药、食品等领域具有广泛的应用。本文重点就纳米金在食品安全检测领域、生物医药领域的应用作了详细综述，并对其未来的发展进行了展望。 [关键词]纳米金；应用；食品安全检测；生物医学 The application of gold nanoparticles ShaojieTuo （Grade12, Class 1202, Major in AppliedChemistry, School of Chemical & Environment science, Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723001, Shaanxi） Tutor: Rui Wu Abstract: As animportant member of the nanoparticle family, gold nanoparticles have the general properties of nanometer materials and other good unique physical and chemical properties such as optical properties, biocompatibility, catalytic activity. Gold nanoparticles have a wide range of applications in the chemical, biomedicine, food and other fields.Based on these special properties, we mainly reviewed the application of gold nanoparticles in the field of Food safety inspection and biomedicine, as well asthe development in the future was prospected. Key words: gold nanoparticles; application; Food safety inspection;biomedicine 引言 纳米材料是指三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料[1]。纳米金是纳米材料的一种，为金的纳米级颗粒，直径一般在1 ~ 100 nm之间。纳米金的发展可追溯到16世纪现代化学的奠基人Paracelsus将制备得到的“饮用金”用于精神类疾病的治疗。而在1857年，英国科学家法拉第发现将少量电解质加入到氯金酸还原出的含纳米金的溶液中后，溶液会由红变蓝，最后变为无色，而当他在溶液中加入一些大分子物质(如明胶等)后，便可阻止该现象的发生。法拉第的这个发现为后来纳米金的应用奠定了牢固的科学基础[2]。 1 纳米金的性质 纳米金具有非常特殊的光学性质，主要表现在对光的吸收和散射两方面。当其吸收光时，由于表面等离子体共振的存在，一方面可以使纳米金将光能高效的转换为热能，另一方面也会根据纳米金粒径、形状的不同而产生不同的颜色变化。而当其发生光散射时，不仅会发生等离子体共振散射，还能增强拉曼散射的信号强度。此外，纳米金与其他荧光物质作用时表现出荧光增强和荧光淬灭两
荧光纳米探针在生命科学中的应用
摘要：纳米荧光探针(fluorescent probe)在化学传感、光学材料及生物检测和识别等领域得到了广泛的应用，并成为实现上述功能的一种主要的技术手段。但以传统的有机荧光染料为主的荧光探针在应用中也存在一些难以克服的缺陷。最近，无机发光量子点、荧光聚合物纳米微球、复合荧光二氧化硅纳米粒子等荧光纳米探针的相继出现，在一定程度上克服了传统有机荧光试剂的缺陷，为生物分析提供了新的发展领域，成为了近年来研究的热点。 关键字：纳米荧光探针、生物检测和识别、无机发光量子点 Abstract：Nano fluorescence probe is widely used in chemical sensing, optical materials and biological detection and identification field , and to realize the above functions as a primary technology. But in a traditional fluorescent primarily organic fluorescent probes in the application of some are difficult to overcome defects. Recently, inorganic light quantum dots, fluorescence polymer microspheres, nano composite fluorescence silica nanoparticles and fluorescence nanoprober have appeared in a certain extent, g served the defects of conventional organic fluorescence reagent, biological analysis to provide the new development area, become the focus of research in recent years. Key words: Nano fluorescence probe, Biological detection and recognition, Inorganic glowing dots 1、Classification of fluorescent nano probe 荧光纳米粒子是指与蛋白质或其他大分子结构非共价相互作用而使一种或几种荧光性质发生改变的小分子物质。可用于研究大分子物质的性质和行为。可以发荧光的半导体纳米微晶体（量子点）或将荧光团通过包埋、共价键连接以及超分子组装等方式引入有机或无机纳米粒子中，并让纳米粒子承担有机小分子荧光染料的检测、标记等功能。与传统的荧光染料相比，荧光纳米粒子具有更高的亮度和光稳定性，也能更加容易地实现水分散性和生物相容性。另外，随着纳米制备技术的进一步提高，对纳米粒子的尺度的精确控制及对粒子功能化手段的日臻完善，这在很大程度上使荧光纳米粒子满足了化学传感器、生物探针等领域的要求。目前荧光纳米粒子主要有无机发光量子点、荧光高分子纳米微球、复合荧光二氧化硅纳米粒子三大类。 1.1Quantum dots 通常是一种由n一Vl族或m一V族元素组成的纳米颗粒，直径在1一100nm之间，能够接受激发光产生荧光的半导体纳米颗粒。量子点在生物标记、太阳能电池和发光器件等领域具有广泛的应用前景。量子点粒径很小，它们的电子和空穴被量子限域，连续能带变成具有分子特性的分立能级结构，因此光学行为与一些大分子很相似，可以发射荧光。量子点的体积大小严格控制着它的光谱特征。量子点的晶体颗粒越小，比表面积越大，分布于表面的原子就越多，而表面的光激发的正电子或负电子受钝化表面的束缚作用就越大，其表面束缚能就越高，吸收的光能也越高，即存在量子尺寸效应，从而使其吸收带蓝移，荧光发射峰也相应蓝移。可见，相对于其他传统的荧光染料而言，量子点由于其量子尺寸效应，粒径不同或组成材料不同即可发射不同颜色的荧光。 1.2 Application of quantum dots in life science
纳米金具有独特的光学效应
纳米金具有独特的光学效应,其表面等离子体共振吸收峰的位置与颗粒的大小、形貌及聚集状态密切相关,摩尔吸光系数高。此外,纳米金具有优良的晶核催化功能,能够催化金属离子还原并沉积于纳米金表面。通过生物识别过程使纳米金的聚集状态发生一定程度的改变,然后监测其表面等离子体共振吸收的变化,或者利用纳米金催化性能使金属离子还原为金属原子,根据金属离子(或金属原子)数量的改变从而使体系的物理化学参数发生相应变化,最终实现生物识别过程的信号转换。纳米金比表面积大,表面自由能高,可在颗粒表面固定大量的生物识别分子或信号分子。此外,纳米金具有良好的导电性和宏观隧道效应,能够促进电子快速传递,从而实现信号放大。纳米金作为生物标记物或者固定生物分子的优良载体在临床诊断、食品安全和环境监测等领域中应用非常广泛。本论文以腺苷、人IgE、甲胎蛋白、赭曲霉素 A、汞离子为检测对象,发展了一系列基于纳米金信号转换(第二、三、四章)以及信号放大(第 五、六、七章)的新型生物传感技术。具体内容包括: (1)基于不同构象的核酸适体在纳米金表面的吸附性质不同,从而对纳米金稳定性的保护程度有所区别。我们以腺苷为分析模型,发展了一种简单、快速、灵敏的基于非标记纳米金变色的比色或紫外可见吸收分光光度法【第2章】。当体系中不存在目标分子时,腺苷的核酸适体结构柔软,能够缠绕在金纳米颗粒表面,由于核酸链带负电荷,纳米金表面的电子云密度高,静电斥力增强,加入较高浓度的盐后胶体溶液仍然保持良好分散。当体系中存在腺苷时,它与核酸适体结合诱导适体构象发生变化,刚性增强,不易吸附于纳米金颗粒表面,因此在高盐条件下出现一定程度的团聚,表面等离子体共振吸收光谱发生改变,据此可用于定量检测腺苷,线性范围为100 nM -10μM,检测限为51.5 nM。该方法由于在均相中操作,准确度高,并且可实现高通量分析,也可用于其它物质如金属离子、蛋白质、核酸或多肽的分析。(2)纳米金是一种重要的光学材料,具有很高的消光系数,其颜色变化与颗粒间的距离密切相关。纳米金团聚通常分为夹心式的交联团聚和非交联团聚两种方式。在第3章中,我们提出一种新的纳米金团聚机理,即发夹型核酸适体末端匹配修饰纳米金后诱导纳米金组装,从而降低胶体稳定性,加入较高浓度的盐引起团聚。当溶液中存在目标分子IgE时,适体稳定的发夹构型显著抑制纳米金组装。鉴于此,我们开发了一种以IgE为分析模型的基于纳米金稳定性增强的均相比色分析方法。与目标IgE结合后,核酸适体构象发生变化,空间位阻增大,修饰到纳米金表面使颗粒稳定,呈分散状态,据此可用于IgE的分析测定,线性范围为9.45×10-13 - 1.89×10-8 M。与现有IgE检测方法相比较,该方法灵敏度高,所需仪器设备简便,可通过目视观察颜色变化或紫外可见分光光度计监测吸光度的变化。这种发夹型核酸适体衍生纳米金的组装行为在生物传感技术中的成功应用有助于加深理解核酸构象变换对纳米金性能的影响,同时也为设计新颖的信号探针以及开发优良性能的比色检测技术提供新思路。(3)开发了一种以腺苷为模型分析物的灵敏、特异的新型荧光分析方法【第4章】。该方法应用两种纳米材料标记的核酸探针?核酸适体修饰的磁性纳米颗粒和核酸探针混合修饰的金纳米颗粒。利用腺苷诱导核酸适体的构型转换导致与其杂交的金标核酸探针被置换,置换下来的纳米金标记物进而催化抗坏血酸将铜离子还原为金属铜并沉积在金纳米颗粒上,使铜离子对钙黄绿素的荧光淬灭得到抑制。由于极少量的纳米金可催化大量的铜离子还原沉积,铜离子浓度急剧降低,从而灵敏改变钙黄绿素的荧光信号。实验结果表明,用这种方法检测腺苷得到的动力学响应浓度范围为100 pM到10 nM,检测限为80 pM。此外,核酸适体的高度特异识别性能保证了该方法具有较好的选择性。整个实验过程都在均相中进行,适合大批量的分析检测。(4)构建了一种基于纳米金标记及酶催化增强的电化学免疫传感器对甲胎蛋白(AFP)进行灵敏检测【第5章】。金电极表面共价连接捕获抗体选择性地识别目标物AFP,纳米金标记的兔抗对目标物进行夹心反应,偶联碱性磷酸酯酶的羊抗兔IgG特异结合兔抗形成树枝状酶复合物,电极表面酶分子的增加增强了电化学响应信号,从而提高了传感器的灵敏度。该方法对目标物AFP的线性检测范围为1.0 ng/mL-500 ng/mL,检测下限为0.8 ng/mL,可用于实际血清样品中甲胎蛋白的临床分析检测。(5)开发了一种新型