文档介绍：胶体纳米颗粒用于生物传感器
[摘要] 本文回顾了纳米颗粒生物传感器的发展历程,表面化学及生物传感机理,讨论了如何使该种技术应用于商业和临床。在材料方面本文提出了包括纳米颗粒的大规模生产在内的五个关键挑战;为了更广泛的应用还需要仿生学,计算机模拟,生物信息学等方面的发展。
[关键词] 胶体纳米颗粒;生物传感器;量子点;贵金属纳米颗粒;
引言
胶体纳米颗粒作为生物传感器有很多优点,简要说来有以下几点:因为具有表面等离子体共振效应,胶体纳米颗粒的发光强度大;胶体纳米颗粒可以修饰其他基团作为分子标签;能够动态地与环境互动;使用胶体纳米颗粒作为生物传感器可以省去洗涤的步骤,因此有望做到实时监测;可以定性或定量检验目标分子。
目前研究较多的胶体纳米颗粒有量子点和金纳米颗粒两种。量子点具有尺寸效应、粒径可调、单吸收、多发射、发射波长范围宽等特点,因此单一激发就能得到一系列发射波长不同、颜色各异的量子点荧光探针。此外,量子点还有光化学稳定性高、抗光漂白能力强、荧光不易淬灭等优良光学特性,因此成为生物学领域倍受关注的纳米荧光材料之一。在生物领域中,用作荧光标记探针是量子点最具发展前景的应用。在单颗粒水平下,量子点发出不连续的荧光,为了克服这个困难就要以核为中心,外围生长另一种材料的原子层,形成核壳结构的量子点。经过仔细设计包覆的量子点,其量子产率能达到90%[1,2]。
金纳米颗粒具有非常高的消光系数(
×108mol/(L·cm),比一般的染料分子高1000倍以上,根据郎伯-比尔定律可知,金纳米颗粒所能达到的检测限远低于染料分子。由于金纳米颗粒体系在不同状态下会有不同的颜色变化,因此金纳米颗粒在可视化检测中占有重要的地位。金纳米颗粒的可视化检测机理是: 单分散金纳米颗粒在溶液中呈现红色,当加入被检测物时,金纳米颗粒发生聚集,从而使颗粒间的等离子体耦合发生改变,吸收峰发生红移,溶液的颜色由红色变为紫色或蓝色。(见图1.)除了具有上述的光学特性外,金纳米颗粒表面易于进行化学修饰,这也为金纳米颗粒在分析检测中的广泛应用提供了便捷条件。金纳米颗粒表面可以通过修饰小分子、蛋白质、多肽等实现对不同靶标物质(包括小分子、重金属离子、蛋白质、核酸、肿瘤细胞和病原体等)的特异性检测。基于金纳米颗粒的可视化检测方法不依赖任何大型仪器,仅从溶液颜色变化即可作为读出信号,信号检出速度较快,所需材料成本较为低廉,尤其适用于有快速检测、现场检测需求和条件相对落后不具备大型仪器的区域[3]。
常用的分析检验方法如酶联免疫吸附试验(ELISA)、聚合酶链式反应(PCR)、荧光原位杂交(FISH)等需要大量重复性劳动,同时因为有依赖于有机染料,不能进行持久的或多路复用的分析。改良以上方法有两条途径。一是纳米胶体颗粒用于微流控芯片取代酶联免疫吸附试验(ELISA),二是在聚合酶链式反应(PCR)和荧光原位杂交(FISH)中以纳米胶体颗粒取代荧光染料或蛋白质,以此强化现有技术。
纳米胶体颗粒在生物传感器方面的应用近年来得到了很大发展,但仍有许多障碍需要跨越,例如检测结果的可重复性、复杂生物环境下性能的优化、未纯化的液体如血液和尿液中与各种物质的相互作用。
2. 纳米颗粒的核
传统量子点的组成如下:Ⅱ族-Ⅵ族,如BaS, BaSe, BaTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe。或Ⅲ族-Ⅴ族,如GaAs, InP, InAs。最常用的CdS, CdSe, CdTe有较大的生物毒性,为了取代这些重金属,人们开发了Si, C, Sn,合金及共轭聚合物的量子点。
碳作为一切生物有机体的骨架元素,相对于其他元素构成的荧光纳米材料,碳点的毒性低且具有良好的生物相容性,碳点表面含有大量功能基团,便于有机、无机高分子、聚合物以及生物活性物质的修饰。碳点在紫外区域光谱吸收较强,吸收峰可延伸至可见光区,如经微波/超声、电化学氧化、激光刻蚀等方法制备的碳点,其吸收峰在250-320nm之间,经修饰后波长会相应增加。例如:Liu 等用甘油作为碳源,TTDDA作表面钝化剂,用微波法一步制备表面钝化的碳点。将其与人肝癌细胞系 HepG-2共同培养,在450nm、488nm和543nm激发波长下分别发出蓝色、绿色和红色的明亮荧光
[4] 。
以荧光共轭聚合物制备的纳米颗粒可以附着在蛋白质上而不产生毒性,这些有机半导体聚合物纳米球(SPNs)可用于对细菌进行、DNA检测、生物成像等方面。Philip等用溶剂蒸发法制备了PPE、MEH-PPV、BEHP-PPV和 PF四种半导体聚合物纳米球。MEH-PPV半导体聚合物纳米球能很好的附着在活的海拉细