纳米材料在生物检测中的应用
纳米材料在生物医学中的应用
纳米材料在生物医学中的应用随着科学技术的不断进步和人类认知的不断深入，越来越多的先进材料被应用于生物医学领域中。
其中纳米材料作为新兴材料，具有结构奇异、性质优异、功能多样等特点，成为了近年来研究的热点之一。
那么，纳米材料在生物医学领域的应用具体有哪些呢？一、纳米材料在药物传递中的应用纳米材料在药物传递方面的应用广泛，主要是通过改变材料的尺寸和表面性质来实现药物的高效传递，从而达到更好的治疗效果。
纳米材料具有非常小的尺寸和大的比表面积，这使得它们能够更好地穿透组织和细胞，减少副作用，并且可以有效地保护药物免受光热、化学和生物因素的影响。
此外，纳米材料还可以通过改变药物的释放速度、靶向性、生物可降解性等性质来增强药物的效力，减轻药物副作用和增强使用安全性。
二、纳米材料在生物成像中的应用纳米材料在生物成像方面的应用主要体现在两个方面：一是通过纳米材料的特殊结构和磁性、荧光、放射性等特性，实现对生物 signals 的采集和信号转换；二是通过纳米材料的多样性和多功能性，能够在生物学显像操作中实现多模式或多层次的成像。
例如，可通过利用纳米材料的荧光特性来制备多种荧光标记的纳米粒子，用于细胞和器官成像、生物检测、生态监测等方面；同时也可通过利用纳米金颗粒的表面增强拉曼等效应技术来实现更加精细、高分辨率的生物成像。
三、纳米材料在生物传感中的应用纳米材料在生物传感方面的应用主要是通过利用其独特的性质，如表面增强拉曼散射、表面等离子激元振荡、自组装等现象，来实现对生物大分子（如DNA、RNA、蛋白质）的快速、敏感、特异性检测。
这种生物传感器可能成为下一代的生物检测和治疗技术，有潜力促进生物医学诊断和治疗的发展。
四、纳米材料在组织工程中的应用组织工程学是一门研究如何制造全新生物组织的学科，其最大的挑战是如何构造具备理想机械性能、形态和功能的人工生物组织。
纳米材料因其尺寸微小，能够模拟自然环境，为生物材料的设计和制备提供了新的思路和方法。
纳米材料在生物医学中的应用
纳米材料在生物医学中的应用细胞是构成生物体的基本单位，研究细胞结构和功能的进展，对于进一步了解生物体的生理和病理过程非常重要。
而纳米技术的发展为细胞研究提供了强有力的工具，纳米材料在生物医学中的应用正变得越来越广泛。
一、生物成像生物成像是生物医学领域的核心技术之一，通过对病灶的判断和跟踪，将为疾病的早期诊断和治疗提供重要依据。
纳米材料的独特物理和化学性质，使其成为生物成像的理想探针。
例如，在磁共振成像中使用的超顺磁纳米颗粒能够增强图像对比度，并提高磁共振成像的敏感度。
金纳米颗粒也被广泛用于生物成像，其表面等离子体共振效应可用于增强光学成像的分辨率和对比度。
二、靶向治疗靶向治疗是针对特定疾病相关分子的疗法，通过与病变细胞特异性结合，释放药物或发挥治疗效果。
纳米材料的表面可以通过修饰特定的分子，使其具有高度的靶向性。
一种常用的应用是利用纳米载体递送药物，有效地将药物输送到病变部位，减少对健康组织的损伤。
此外，纳米材料在光热治疗中也发挥重要作用，通过选择性地吸收光能将其转化为热能，用于破坏肿瘤细胞。
其中，碳纳米材料和金纳米颗粒是常用的光热治疗材料。
三、生物传感器生物传感器是检测生物体内特定物质或生物过程的电子仪器。
纳米材料的高比表面积和良好的导电性使其成为生物传感器中的理想电极和传感元件。
例如，碳纳米管可以用于电化学检测特定分子的浓度，而纳米金颗粒则可以作为光学传感器检测生物样品中的分子信号。
此外，纳米材料还可以与生物分子相互作用，实现对生物过程的监测和控制。
四、组织工程组织工程是通过组合生物材料、细胞和生物活性物质来构建人工组织的技术。
纳米材料的高度可调性和可制备性使其在组织工程中得到广泛应用。
例如，纳米纤维素可以用于构建三维生物支架，为细胞附着和生长提供支持。
纳米涂层技术也可以改善生物材料的表面性能，增强其与细胞的相互作用，在人工体内组织工程中发挥重要作用。
纳米材料在生物医学中的应用为科学家们提供了更多的研究和治疗手段，但同时也面临一些挑战。
纳米材料在生物医学中的应用
纳米材料在生物医学中的应用一、纳米材料在生物医学领域的应用1. 生物传感器：纳米材料可以用于生物传感器的制备和运载。
由于其特殊的物理和化学特性，纳米材料能够在低浓度下高度灵敏地探测生物分子，如蛋白质、DNA、RNA等。
纳米材料的高比表面积也能够提高生物分子的靶向性和识别能力，因此在生物传感器中的应用前景广阔。
2. 药物传输：纳米材料在药物传输方面有着巨大的应用前景。
基于其独特的尺寸和表面性质，纳米材料可以实现药物的高效载体和传输，可以改善药物的生物利用度和保留时间，降低药物的副作用。
纳米材料还可以通过靶向控制药物的释放，提高药物的效力和准确性。
3. 治疗：纳米材料的生物学特性还可以被用来治疗疾病。
纳米材料可以通过特定的靶向途径有效地将药物输送到病灶部位，实现对肿瘤、炎症等疾病的治疗。
纳米材料本身也具有良好的生物相容性和生物降解性，可以大大减少对人体的副作用和不良反应。
4. 影像检测：纳米材料在影像检测方面也有很大的应用潜力。
纳米材料可以被用作造影剂，可以通过在体内对比增强显像的方式，帮助医生更准确地进行检测和诊断。
纳米材料还可以通过特定的结构设计和表面修饰，提高对特定靶向组织或细胞的识别和检测能力。
二、纳米材料在生物医学领域的研究进展1. 纳米生物传感器的研究进展纳米生物传感器是将纳米材料作为传感器材料，能够感知和转换生物分子的信号。
近年来，许多基于纳米材料的生物传感器已经被开发出来，并且在许多生物医学领域得到应用。
一种基于纳米金材料的葡萄糖生物传感器已经被研发出来，能够检测血液中的葡萄糖浓度，用于糖尿病的监测和治疗。
2. 纳米材料在药物传输方面的研究进展纳米材料在药物传输方面的研究也越来越受到关注。
以纳米脂质体为载体的药物传输系统已经在临床中得到应用，并被用于多种疾病的治疗。
纳米材料的特殊表面性质也为药物的靶向控制提供了很多可能性。
一种基于聚合物纳米粒子的药物传输系统已经被成功研发出来，并能够实现对癌细胞的高度靶向，从而提高了治疗效果。
纳米材料在生物医学中的应用
纳米材料在生物医学中的应用一、纳米材料简介纳米材料是一种尺度在 1-100 纳米（1nm=10^-9m）之间的材料。
随着纳米技术的不断发展，纳米材料的种类也越来越多，包括碳纳米管、纳米金属、纳米氧化物、纳米化合物等。
纳米材料具有独特的物理和化学特性，在生物医学领域有着广阔的应用前景。
二、纳米材料在生物医学中的应用1. 纳米药物纳米药物是指纳米材料作为载体，将药物包裹其中，以此实现针对性输送和控制释放。
这种药物具有高效、低剂量、较少毒副作用等优点。
例如，近年来研究的纳米抗癌药物在治疗肺癌、乳腺癌等疾病中显示出显著的疗效，成为靶向治疗的重要手段。
2. 纳米生物传感器纳米生物传感器是指将纳米材料与生物体相互作用，通过监测生物体内的物质浓度、生物物质分子等信息，实现对生物体状态的检测、分析和诊断。
例如，纳米粒子的表面修饰可实现对病毒、细菌等病原体的高灵敏性检测，从而提高疾病早期诊断的准确性。
3. 纳米材料的组织工程和再生医学纳米材料在组织工程和再生医学中应用广泛。
例如，纳米材料可以通过与生物体组织细胞相互作用，促进细胞生长和分化。
这种作用可应用于骨折愈合、心脏组织修复等方面。
同时，纳米材料还可以用于人工关节、血管、器官等的研究和制造，应用效果显著。
4. 纳米光学成像纳米光学成像是一种通过光学手段对微观物质进行成像的技术。
纳米材料在这方面的应用虽然有限，但正在逐渐发展。
例如，纳米金颗粒的表面修饰可实现在体内的光学成像，用于疾病诊断和研究。
三、纳米材料在生物医学中的优势与传统医疗技术相比，纳米技术具有以下优势：1. 高效性：纳米药物能够精准靶向病变部位，达到更高的药效和更少的伤害。
2. 安全性：在合理使用下，纳米材料的毒副作用很小，对人体安全。
3. 可控性：纳米药物的性质可以通过合理设计进行调控，达到更好的治疗效果。
4. 生物相容性：多数纳米材料具有很好的生物相容性，不会被生物体的免疫系统排斥。
四、纳米材料在生物医学中的挑战虽然纳米技术在生物医学领域有着广阔的应用前景，但其面临以下挑战：1. 在生物体内的稳定性问题；纳米药物在体内易受生物环境的影响，失去原有的性质和效果。
纳米科技技术在生物传感与诊断领域的实际应用案例
纳米科技技术在生物传感与诊断领域的实际应用案例引言：纳米科技技术是近年来快速发展的前沿领域，其应用涉及多个领域，包括生物传感与诊断领域。
通过纳米技术的应用，科学家们能够开发出高度灵敏、可靠且高效的生物传感与诊断工具。
本文将介绍几个纳米科技技术在生物传感与诊断领域的实际应用案例，展示纳米技术在该领域中的突破性进展。
一、纳米颗粒在肿瘤治疗中的应用纳米颗粒作为一种常见的纳米材料，在生物传感与诊断中有着广泛的应用。
在肿瘤治疗中，纳米颗粒被用作载药系统，以提高药物的靶向性和治疗效果。
例如，一项研究利用具有磁性的纳米颗粒作为载体，成功将抗癌药物送达肿瘤细胞，并在体内实现肿瘤治疗的靶向释放。
这种技术能够减少药物对正常细胞的损伤，增加药物的局部浓度，从而提高治疗效果。
二、纳米传感器在病原体检测中的应用纳米传感器是一种基于纳米技术的传感器，其具有高灵敏度和高选择性的特点，因此在生物传感与诊断领域具有重要应用价值。
在病原体检测中，纳米传感器能够快速准确地检测出病原体的存在，并提供相关信息。
例如，一种基于纳米材料的DNA传感器能够通过与特定的DNA序列相互作用，识别出特定的病原体。
这种传感器在医学检测中有着广泛的应用，能够有效地检测并追踪病原体，提供准确的诊断结果。
三、纳米技术在生物成像中的应用生物成像是一种非侵入性的诊断技术，其中包括X射线、磁共振成像（MRI）和荧光成像等。
纳米技术为这些生物成像技术的发展提供了新的途径。
例如，一种基于纳米材料的荧光探针能够通过与目标生物分子的相互作用，在体内实现高灵敏度的荧光成像。
这种技术有望在癌症早期筛查和防治中发挥重要作用。
四、纳米生物芯片在基因检测中的应用纳米生物芯片是一种以纳米技术为基础的生物检测器件，具有高度灵敏和高通量的特点。
在基因检测中，纳米生物芯片能够实现快速准确的基因分析，并为相关疾病的诊断和治疗提供重要依据。
例如，一种基于纳米技术的DNA芯片能够同时检测大量的基因序列，快速确定个体的基因型，为个性化医学提供了有力的支持。
纳米材料在生物医学中的应用
纳米材料在生物医学中的应用近年来，纳米科技的迅猛发展给各个领域带来了巨大的变革，其中生物医学领域尤为显著。
纳米材料的独特物理和化学特性赋予其在生物医学中广泛的应用前景。
本文将探讨纳米材料在生物医学中的应用，包括纳米药物递送系统、纳米生物传感器及纳米材料在组织工程中的应用。
1. 纳米药物递送系统纳米材料在药物递送系统中担任着重要的角色。
纳米颗粒的尺寸亚微米级别，使得药物可以更好地穿越细胞膜，提高药物的生物利用度。
例如，利用具有药物载体功能的纳米颗粒，可以包裹药物并在合适的时机和地点释放，从而实现药物的靶向递送。
此外，纳米颗粒表面的功能化修饰也赋予其与靶细胞特异性结合的能力，提高治疗效果。
2. 纳米生物传感器纳米生物传感器是一种将纳米材料与生物传感器相结合的新型技术。
纳米颗粒的高比表面积和可调控的光、电、磁性能使其成为优秀的生物传感器材料。
例如，通过将荧光染料修饰在纳米颗粒上，可以利用纳米颗粒的荧光信号来监测生物体内某种特定分子的浓度变化，实现疾病早期检测。
此外，利用纳米颗粒的磁性，还可以对生物体内的特定区域进行标记和定位，为疾病的诊断和治疗提供辅助。
3. 纳米材料在组织工程中的应用组织工程是一门旨在修复和再生受损组织器官的技术。
纳米材料在组织工程中具有广阔的应用前景。
纳米颗粒可以作为支架材料，提供细胞附着的平台和微环境，促进组织再生。
此外，纳米材料的表面特性也可以调控细胞的黏附和增殖，促进组织再生过程。
利用纳米材料的这些特性，可以修复骨骼、肌肉、皮肤等各种组织和器官的损伤。
总结起来，纳米材料在生物医学中的应用涵盖了多个方面，包括纳米药物递送系统、纳米生物传感器和纳米材料在组织工程中的应用。
这些应用不仅提高了药物递送的效果和准确性，还为疾病的早期诊断和治疗提供了新的手段。
纳米材料的广泛应用将进一步推动生物医学的发展，为我们的健康提供更多可能性。
纳米材料在生物医学领域的应用
纳米材料在生物医学领域的应用纳米材料一直是材料科学领域的一个重要研究方向。
随着现代生命科学的飞速发展，纳米材料在生物医学领域中的应用也日益显现出其重要性和存在的必要性。
纳米材料能够以其特有的粒径、表面、形态等性质调节材料与细胞、生物分子间的相互作用，从而实现在药物输送、生物成像、诊断和治疗等方面的应用。
下面将从这些方面展开论述。
一、药物输送由于纳米材料具有较大的比表面积、独特的化学反应活性和生物相容性等优异特性，它们能够有效地运输和释放药物。
也就是说，纳米材料作为药物输送的载体，可以将药物精确地释放到特定的细胞和组织中，使得药物的作用更加明确和地理位置更加清晰。
例如，聚乳酸-羟基磷灰石纳米颗粒被用来承载头发林和多西紫杉醇等抗癌药物，以作为一种靶向药物输送系统，使得药物对肿瘤细胞的杀伤效果更加明确，对正常细胞的不良反应有所降低。
二、生物成像纳米材料在生物成像方面也有着广泛的应用。
由于纳米材料具有独特的光学性质，尤其是金或银纳米颗粒，可以产生表面等离子体共振的现象，在选择性激发下放电出光谱点和散射光谱，从而可以实现对生物体内分子的定量分析和成像。
以砷化铟纳米棒和聚氨酯为材料组成的新型纳米复合体系，在对肿瘤细胞内部进行光学成像时，能够捕获显著的近红外光信号，表现出色彩鲜艳和良好的对比度，使得生物体内部的成像质量大幅度得到提高。
三、诊断纳米材料还可以用于对生物样本进行快速和低成本的检测，该类检测可用于体内检测生物分子或细胞水平的生物分子检测。
例如，氧化铁和金纳米颗粒可以被用于快速筛查血液样本，检测是否存在病原体或药物残留物，甚至可以检测血液中的癌症细胞。
这些方法无需复杂的实验室测试，专门的仪器设备或多次程序的操作，因此可大大提高检测效率和精度，并为诊断提供了一个简便有效的手段。
四、治疗除了用于诊断和药物输送，纳米材料还可以用于治疗。
例如，Silica-PDA-Clearly的纳米材料被用来进行抗肿瘤治疗。
纳米材料在生物医药方面的应用
纳米材料在生物医药方面的应用近年来，纳米技术的迅猛发展在各个领域都取得了巨大的成果，其中生物医药领域是一个受益非常大的行业。
纳米材料在生物医药领域的应用范围非常广泛，涵盖了诊断、治疗、基因工程等方面。
接下来，我们将深入探讨纳米材料在生物医药领域的应用情况。
一、纳米材料在医学诊断中的应用在医学诊断方面，纳米材料具有高灵敏度、高特异性和高稳定性等特点，可以广泛应用于诊断和监测疾病。
其中较为常见的纳米材料有荧光纳米颗粒、金纳米棒、磁性纳米粒子等。
通过修饰这些纳米材料的表面，可以使其与生物体内的分子特异结合，从而实现对分子的高灵敏度和高特异性检测。
比如荧光纳米颗粒，具有高的荧光量子产率、高的光稳定性和生物相容性等特点，可以应用于细胞成像、药物传输等方面。
金纳米棒也是一种常见的纳米诊断材料，利用其表面等离子体共振效应，可以实现对分子的高灵敏度检测。
另外，磁性纳米粒子可以通过外加磁场实现对生物体内细胞或器官的定位和追踪，可以用于肿瘤早期诊断和监测。
二、纳米材料在治疗方面的应用纳米材料在治疗方面的应用主要包括纳米药物和纳米治疗器械。
纳米药物是指将药物与纳米材料进行结合，可以提高药物的生物利用度、降低药物的副作用，并实现靶向治疗。
目前已经有很多针对肿瘤治疗的纳米药物在临床应用中取得了良好的疗效。
另外，纳米治疗器械也是一种新型的治疗手段，可以通过针对性的设计和制备，实现对细胞、组织和器官的准确治疗。
比如磁性纳米球可以在外加磁场的作用下实现对癌细胞的靶向杀灭，而纳米针可以直接穿透细胞膜，将药物直接注入细胞内，从而提高治疗效果。
三、纳米材料在基因工程领域的应用在基因工程领域，纳米材料也有着广泛的应用。
通过利用纳米材料的高比表面积和表面修饰等特征，可以实现对DNA、RNA等核酸分子的特异性修饰和载体化，从而实现基因工程和基因治疗。
比如，纳米颗粒可以被用作基因递送载体，将基因加工成纳米颗粒，再由纳米颗粒将基因转移到目标细胞。
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2009,Vol.26No.3化学与生物工程Chemistry &Bioengineering58 收稿日期:2008-11-07作者简介:谭婷婷(1981-),女,湖北武汉人,硕士研究生,主要研究方向:分析化学;通讯联系人:潘祖亭,教授。
E 2mail :ed 2isonttt2005@ 。
纳米材料在生物检测中的应用谭婷婷,王光寅,潘祖亭,罗运柏(武汉大学化学与分子科学学院,湖北武汉430072) 摘 要:纳米颗粒是生物医学中研究最多、应用最广的纳米材料,有许多独特的性质。
综述了近年来国际上以纳米颗粒为基础的纳米技术在生物传感器及生物检测中的研究成果和进展,介绍了纳米颗粒的制备方法及其在纳米生物传感器和纳米生物芯片中的应用,结合纳米病原微生物检测介绍了有关免疫传感器检测细菌的研究成果,并对该领域的应用前景进行了展望。
关键词:纳米技术;纳米生物学技术;纳米颗粒;纳米生物传感器;生物检测中图分类号:O 614 TB 383 文献标识码:A 文章编号:1672-5425(2009)03-0058-04 纳米生物技术是纳米技术与生物技术交叉渗透形成的新技术,是纳米技术的重要组成部分,也是生物医学领域的一个重要发展方向。
纳米颗粒通常大于1nm ,是生物医学领域应用最广的纳米材料,也是目前研究得最多的纳米材料之一。
纳米颗粒是介于微观与宏观之间的一类新的物质层次,具备许多独特的性质[1],如小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应、体积效应等。
实现对纳米颗粒的尺寸大小、粒度分布、形状、表面修饰的控制,以及它们在光电化学中的应用,是纳米颗粒研究的关键。
1 纳米颗粒的制备和修饰除了纳米颗粒的特性,其组成成分对于它们的适用性也是非常重要的,如纳米颗粒的组成成分不仅决定了纳米探针与被分析物的兼容性和匹配性,也决定了检测精度。
最常见用来制备纳米颗粒的原材料是金、硅和半导体(如CdSe 、ZnS 、CdS )等。
金对于纳米生物技术来讲是一种活性材料,因为金纳米颗粒能与巯基发生强的共价键合[2],使得胶态金与巯基标记的生物活性分子结合形成探针可用于生物体系的检测。
Frens [3]用柠檬酸三钠还原HAuC 14得到纳米级胶体金颗粒。
研究者进一步优化此方法合成了直径在13nm 左右的纳米金。
纳米金较容易被改良,因为它具有微弱的带电配体的结合层,能保持稳定;改良纳米金的方法现在已经很优化,适合于大范围的粒径及多种表面组分。
借用纳米金表面易被修饰的特性,Mirkin 提出了一种合成金壳银核的核-壳型纳米颗粒的方法,以薄金壳包裹在银纳米粒子表面,形成一种金外包被的颗粒,它易与烷基修饰的寡核苷酸共价结合,从而形成新型的银/金核-壳探针。
该纳米颗粒既保持着银的化学和物理特性,又具有金的稳定性;这种新型纳米探针与纯金体系的探针有完全不同的色度改变,二者可用来检测同一样本中两种不同的目标DNA 。
硅是一种在生物分析中被广泛采用的材料,如生物传感器、生物芯片等。
硅可以通过多种加工技术制备纳米颗粒、透明薄膜以及固体平面材料。
硅纳米颗粒的制备有两种经典的途径,一种是倒转微乳化法,主要是用来合成染料掺杂硅颗粒和超小磁性硅颗粒;另一种是St/3ber 方法,用于制备纯硅颗粒和有机染料掺杂硅颗粒。
所合成硅颗粒的特征可通过尺度、光学或者磁学特性来描述,其粒径可用透射电镜或扫描电镜来确定(一般直径在60～100nm 之间)。
染料掺杂硅颗粒中的染料分子可以是双吡啶钌(RuBpy 2)、若丹明、四甲基右旋糖苷以及荧光素右旋糖苷等,这种硅颗粒的大小和光学特性是决定其用途的最主要因素。
磁性硅颗粒包括Fe 3O 4/SiO 2和Fe 2O 3/SiO 2两种,其直径大约在2～3nm ;采用超导量子干扰装置(Super 2conducting quant um interference device ,SQU ID )分析其粉末形式,发现磁性硅颗粒的特性接近超顺磁性物质,可见磁性硅颗粒的大小和磁学特性将决定其最佳合成条件。
量子点(Quant um dot s,QNs)是一种半导体晶体材料的纳米颗粒,直径在10nm以内,较普通细胞的体积小数千倍,具有吸收波长范围宽和发射波长范围窄的特性,不同材料的量子点还会发出不同的荧光。
用作量子点的材料有硒化镉(CdSe)、硫化锌(ZnS)、砷化铟(InAs)等,近年的研究中硒化镉最受重视。
量子点的合成途径有多种,从传统荧光标记的量子点到用作测量各向异性的拉长“纳米杆”,较经典的是“由下向上”的一步法反应,即同一容器中,无机物的化学转化与纳米结晶过程。
最初使用的量子点小于10nm,比金属及磁性纳米颗粒的表面积更小,其发光效率也低,还容易发生光化学降解和聚集。
CdSe/ZnS是化学合成的无机物,为了增强其胶体稳定性、水溶性和减少非特异性吸附及细胞内聚集,并减少被网状内皮系统的吞噬,常对其进行亲水性处理:一种是用表面活性剂,如二氢硫辛酸、巯基乙酸等处理其表面,或用聚乙二醇PEG修饰包被的聚合物;另一种是在其表面包被蛋白质,如卵白素、生物素、链亲和素等,这样使其表面获得巯基、羧基等活性基团,以结合蛋白质、抗体、肽或核酸[4～6]。
另外,由于CdSe与ZnS以静电结合,表面带负电荷,可结合带中性电荷或阳性电荷的蛋白质及抗体(如Ig G等)[7,8]。
2 纳米生物传感器纳米材料本身就是非常敏感的化学和生物传感器,固定有能选择性结合靶分子的生物探针的纳米传感器称为纳米生物传感器。
纳米生物传感器能和生物芯片等结合,从而使分子检测更加高效、简便,在微生物检测、体液代谢物监测以及组织病变(如肿瘤的早期发现)等方面应用较多。
211 纳米线生物传感器由于纳米颗粒表面易于改良,纳米线实际上可以被任何可能的化学或生物识别分子所修饰。
纳米材料以一种极度敏感、实时和定量的方式将发生在其表面的化学键合事件转换成纳米线的电导率。
掺硼的硅纳米线已经被用来制作高度敏感、实时监测的传感器,用于检测p H值以及p mol・L-1浓度的抗生物素蛋白、Ca2+等生化物质[9],今后还可以发展应用于阵列扫描和在体诊断。
研究能快速、直接地分析小分子物质和蛋白质大分子特异性结合的微型仪器,对于发现和筛选新药分子有实质性的意义。
Wang等[10]报道了一种硅纳米线场效应晶体管(FET)装置,在酪氨酸蛋白激酶(Abl)的介导下,它能高度敏感、免标记地直接检测到A TP以及A TP的小分子阻断剂(Gleevec),因此能成为药物开发的技术平台。
212 病毒纳米生物传感器病毒颗粒实际上就是生物纳米颗粒。
单纯疱疹病毒(HSV)和腺病毒可以触发磁性纳米珠的集合,从而成为临床上检测相关病毒的纳米传感器。
纳米珠由超磁性氧化铁内核包被右旋糖苷组成,再附着作为抗病毒抗体的G蛋白。
在Weissleder小组的实验中,经磁场作用,一个10mL的血清样本中能检测到少至5个的病毒颗粒。
该系统要比酶联免疫吸附实验(EL ISA)敏感,同时也比基于PCR扩增的检测方法有所改进[11]。
但是利用纳米线场效应晶体管,Hayden能直接、实时地从样本中检测到单个流行性感冒病毒A颗粒;而且用两种抗体修饰的纳米线装置能平行检测出相应的流行性感冒病毒和腺病毒,这提示如果这种装置具有大规模区分能力的话,就有可能在单个病毒水平上同时检测到多种不同的病毒侵袭。
213 光学纳米生物传感器表面等离子体共振(SPR)是一种光和金属电子相互作用的光-电子现象,是将光子所携带的能量转移给金属表面的电子。
虽然迫切需要能特异鉴别周围环境中低浓度生物物质的微型化光学传感器,但目前还不存在未经扩增就能鉴定出自然浓度的这种仪器。
借助局部SPR光谱技术,可利用三面体银纳米颗粒制成一种新型的光学传感器,因为这种银颗粒具有显著的光学特性,能大大提高检测的敏感性。
SPR纳米生物传感器为利用简单、轻便、经济的仪器来实现超敏感的生物检测提供了一条有效途径。
结合纳米技术、生物学和光子学,Vo2Dinh等提出了一种激光纳米传感器,用来对单个活细胞中的蛋白或生物标记进行胞内分析。
这种纳米传感器的光纤被拉长至尖端达到纳米级范围,并被生物探针(如抗体或酶底物)修饰;将尖端插入细胞,激光导入光纤后,尖端的消散区激发目标分子与探针结合,光度检测系统采集结合区域的光信号(如荧光)后用于分析。
Vo2Dinh等相继报道了利用这种光学纳米传感器,在单个活MCF27细胞(人乳腺癌细胞株细胞)中检测Caspase29蛋白和细胞色素C蛋白活性的实验。
214 纳米肿瘤生物传感器肿瘤生物传感器由量子点与能够识别肿瘤细胞标志物的特异性靶向分子(如特异性配体、单克隆抗体、核酸探针等)组装而成,通过靶向分子与肿瘤细胞表面标志物分子的结合,利用物理方法来测量传感器中的磁信号、光信号等,可实现肿瘤的定位和显象,有利于肿瘤的早期诊断。
3 纳米技术在生物检测中的典型应用311 纳米生物芯片生物芯片是在很小几何尺度的表面积上,装配一种或集成多种生物活性分子,仅用微量生理或生物采样,即可以同时检测和研究不同生物细胞、生物分子和DNA的特性,以及它们之间的相互作用,获得生命微观活动的规律。
传统的生物芯片有不少局限性,如不能很好地固定DNA、样品的需要量大、荧光标记不可直接读出和敏感度低等。
将纳米技术应用于生物芯片,能极大地改善这些局限性,如可采用自组装的方法来固定、样本需要量少但敏感度大大提高、结合微电子技术后高产而成本低等。
在过去的10年中,DNA序列的检测在遗传学、病理学、刑事学、食品安全等方面越来越普遍和重要,因此向研究者提出更高的要求,需在同一样本中同时进行千百万不同DNA序列的检测,于是DNA微阵列,也称基因芯片应运而生。
但是,目前的DNA微阵列还面临不少困难:如阵列的制作和读出都必须微型化,以满足“芯片上的实验室”的需要;阵列需有高选择性和高灵敏度。
基于荧光标记的检测体系近年来在DNA芯片中的重要作用已经获得认同,并且在基因差异表达、基因突变、基因多态性研究和基因诊断等领域得到了应用,但其寡核苷酸阵列的制作以及后续的杂交检测都有较高的仪器设备要求,荧光标记物也比较昂贵,这是一般实验室条件无法达到的。
因此,建立和发展高效、快速、低成本的DNA序列测定新方法显得尤为重要。
纳米颗粒的DNA阵列技术改善了荧光标记阵列的局限性,是一种可望广泛应用的新的DNA 检测方法。
在任何异源DNA微阵列的检测中,目标DNA链均需要被标记,以便信号的观察。
除了纳米金用于DNA检测和DNA微阵列外,RuBpy2硅颗粒也能用于痕量DNA检测,该实验基于“三文治”机制,能检测p mol・L-1浓度以下的靶序列。
量子点本身就是荧光标记物,与生物大分子共价结合后,也能实现超敏感的生物检测。