金纳米粒子在生物检测方面的应用

材料的制备与技术课程论文1金纳米粒子在生物检测方面的应用摘要：纳米科学是在上个世纪末才逐渐发展起来的新型科学领域，现在对其研究发展已经成为科学家们竞相研究的热点。其中金纳米粒子由于其独特的光学、热学、电学、磁学以及化学方面的性质，使得金纳米粒子在催化、生物传感器、生物医学等方面具有重要应用。本文综合概述了纳米技术尤其是金纳米粒子技术现在在生物医学方面的研究进展。关键词：纳米技术，金纳米粒子1纳米技术概述纳米科学是在上个世纪末才逐渐发展起来的新型科学领域，由于它对未来的科技、经济和社会发展都具有重大的影响力，因而纳米科学的研究发展已经成为科学家们竞相研究的热点[1]。最早提出纳米尺度上的科学和技术的是诺贝尔物理学奖获得者，美籍物理学家R.Feynman，他于1959年做演讲时提出设想:“如果人类能够在原子/分子的尺度上来加工材料、制备装置，我们将有许多激动人心的新发现”[2]。1990年7月，在美国巴尔的摩召开了第一届国际纳米科学技术会议，会上正式确立了“纳米科学技术”这一崭新的命题。1.1纳米材料的定义纳米材料是一种超微粒子，它是指晶粒或微粒的三维尺寸中任意一维的尺寸在1-l00nm范围内[3]。图1形象地显示了各种物体的尺寸范围。纳米材料既不属于宏观系统亦非微观系统，它的状态是一种介于宏观和微观领域之间的过渡态，被称为介观领域[4,5]。由于其特殊的尺寸分布，纳米材料拥有很多独特的物理化学性能，具体表现为:表面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应[6-8]。材料的制备与技术课程论文2图1纳米尺度的长度展示Figure1.Lengthscaleshowingthenanometer1.2纳米材料的特征在纳米尺度下，物质中电子的波性以及原子之间的相互作用将受到尺度大小的影响。在这个尺度时，物质会出现完全不同的性质:(1)表面效应当物质的直径减小到纳米尺度时，会引起它的表面原子数、表面积和表面能的大幅度增加。由于表面原子的周围缺少相邻的原子，使得物质出现大量剩余的悬键，具有不饱和的性质。同时，表面原子具有高度活性，极不稳定，它们很容易与外界的原子结合，形成稳定结构。(2)小尺寸效应随着物质尺寸的量变，在一定条件下会引起物质的性质的质变。由于物质尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。纳米颗粒尺寸小，比表面积大，在熔点、磁性、热阻、电学性能、光学性能、化学活性和催化性等与大尺度物质相比都发生了变化，产生了一系列奇特的性质。纳米材料具有和生物分子如蛋白质(酶、抗体、抗原)和DNA相似的尺寸。由金属、半导体、碳、高分子以及有机分子制得的纳米管、纳米线等纳米材料因其独特的电、光和催化性质能提高生物传感器的响应}被用于电化学生物传感器的研制。材料的制备与技术课程论文3(3)量子尺寸效应金属大块材料的能带可以看成是连续的，介于原子和大块材料之间的纳米材料的能带将分裂成分立的能级，即能级量子化。这种能级间的间距随着颗粒尺寸的减小增大[9]。当能级间距大于热能、光子能量、静电能、磁能、静磁能或超导态的凝聚能的平均能级间距时，就会出现一系列与大块材料不同的反常特性，称之为量子尺寸效应[10-11]。这种量子尺寸效应导致纳米颗粒的磁、光、电、声、热以及超导电性等特征与大块材料显著不同[12]。(4)宏观量子隧道效应微观粒子具有穿越势垒的能力称之为隧道效应。近年来，人们发现一些宏观的物理量，如微小颗粒的磁化强度，量子相干器件中磁通量以及电荷等也具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒产生变化。宏观量子隧道效应的研究对基础研究的应用都有重要的意义。例如，它限定可采用磁带、磁招‘进行信息存储的最短时间。这种效应和量子尺寸效应一起，将会是未来微电子器件的基础，它们确定了微电子器件的进一步微型化的极限。1.4纳米材料与生物技术从20世纪90年代开始，人们真正认识到材料的量子尺度效应的重要作用，并由此提出了纳米材料的概念。在过去短短的十几年里，这一研究领域已经取得了令人瞩目的进展。在材料制备方面，已经可以大批量合成多数的无机半导体和金属纳米粒子。在性质研究方面，对不同材料在纳米尺度下的量子尺寸效应和表面效应都有了比较深入的认识。这些成果为纳米材料在不同领域的广泛应用奠定了坚实的基础，开发纳米材料的各种全新应用已经成为纳米技术研究的主要发展方向。在纳米技术发展过程中，纳米材料在信息技术领域的应用始终是研究的热点，科学家们希望利用纳米技术构建体积更小、运算速度更快的芯片。近年来，纳米材料在生物医疗领域的应用潜力也吸引了人们的广泛关注。一般来说，纳米材料的尺寸在1-100nm范围内，而大多数重要的生物分子(如蛋白质、核酸等)的尺寸都在这一范围内，因此可以利用纳米材料进入生物组织内部，从而在分子水平上探测生理活动，揭示生命过程。同时，自然界中的生物体系为人们提供了各种功能结构的纳米机器的范例，借鉴生物学原理将纳米材料和生物分子结合进行人工分子器件、纳米传感器、纳米计算机的设计与制造，从而实现人工纳米机器的制造。材料的制备与技术课程论文42.金纳米粒子贵金属纳米粒子具有良好的物理性能，在诸多领域都具有非常重要的作用。一方面，它们是研究光量子限域效应、磁量子限域效应以及其它纳米材料特有属性的典型体系;另一方面，它们被广泛应用于感光、催化、生物标识、光子学、光电子学、信息存储、表面增强拉曼散射等诸多领域[13-16]。金属纳米粒子尤其是金纳米微粒的尺寸、形状和结构控制以及相应的物理性质一直是材料科学以及相关领域的前沿热点。近年来，对于金纳米材料的研究取得了长足的进步，人们不但可以制备出不同尺寸的球形粒子还可以对其形貌加以控制，制备出许多不同形貌的一维材料，并发现了一些特殊的实验现象和物理性质，许多科研小组在这方面己取得了重大成果[17]。金纳米粒子溶液是一种分散相粒子直径在1—150nm之间的金溶胶，属于多相不均匀体系，颜色呈橘红色到紫红色。在溶液中金颗粒呈圆形，边缘平滑、完整，界限十分清楚，使其具有确定性。金纳米粒子表面带有负电荷AuCl4—，由于静电的排斥力，使其在水中保持稳定状态，并能吸附水中的H+形成稳定的胶体，所以也称其为胶体金，其结构如图2。图2金纳米粒子的结构图Figure2.Structureofgoldnanoparticles金纳米粒子有独特的光学、热学、电学、磁学以及化学方面的性质，这些性质与尺度密切相关，表现为等离元共振吸收(SurfacePlasmonResonance,SPR)，拉曼散射(Raman材料的制备与技术课程论文5Scattering,RS)、以及提高催化活性以及生物相容性等。这些特性使得金纳米粒子在催化、生物传感器、生物医学等方面具有重要应用。其中在生物传感器及生物医学等方面的应用需要将金纳米粒子表面进行修饰。而未加修饰的金纳米粒子可以应用于光学和电学元、器件以及催化等方面中。2.1金纳米粒子的制备金纳米粒子的制备方法已有报道，可分为物理法及化学法。前者是通过各种分散技术将本体金直接转变为纳米粒子，如真空蒸镀法、激光消融法、软着陆法和激光诱导尺寸消减技术等[18-25];后者是将反应物(如氯金酸)通过化学还原，光解，热解，超声波分解，电解等方法产生金原子，金原子聚集而形成金纳米粒子。相比而言，化学方法操作简便，粒子尺寸形状可控性较好，被广泛地应用于金纳米粒子的制备[26]。通常，纳米粒子在形成过程中因其疏水性而具有发生聚集的倾向，因此合成单分散性好的金纳米粒子，需要在制备过程中另外加入稳定剂，如烷基硫醇或者大分子聚合物、枝状化合物、聚电解质、反相胶束/微乳液、表面活性剂等。(1)物理法物理法包括真空沉淀法、激光消融法和电分散法等。真空沉淀法是将高定向裂解石墨基底装入沉积室，用超真空电子束轰击加热蒸发而产生无机纳米粒子，最后在基底上进行沉积。侯士敏[27]等利用真空沉淀法在高定向石墨基底上直接制备了粒径分布较小的金纳米粒子，金纳米粒子进一步聚合长大形成准一维的金纳米线，这一研究为制备由金粒子组成的有序纳米结构开辟了探索途径。激光消融法是常用的制备金纳米粒子的物理方法，是将金片置于十二烷基磺酸钠的水溶液中，用激光烧蚀生成金纳米粒子，表面活性剂用于阻止金纳米粒子的聚集。Mafune[28]等就运用了激光消融法在十二烷基硫酸钠的水溶液中制备了金纳米粒子，且纳米尺寸会随着表面活性剂浓度的增大而变小。与物理方法相比较，化学合成方法操作简便，形成的纳米微粒尺寸、形状可控性较好，因而化学法被广泛的用于金纳米的制备。(2)化学还原法化学还原法通常是以柠檬酸钠、草酸、NaBH4、鞣酸等作为还原剂，通过还原Au(III)来制备金纳米粒子。经典的Frees[29]法就是利用柠檬酸钠作为还原剂和保护剂，通过还原氯金酸制备得到金纳米粒子，且通过调节柠檬酸钠和氯金酸的摩尔比，可调节金纳米粒子的粒径。由于纳米材料具有很高的表面能，使得它的稳定性和可加工性较差，因此为了得到稳定的金纳米粒子，必须对其表面进行改性，更重要的是，金纳米粒子表面的保护层在增强稳定性的同时还能保持其自身的光学、电化学或氧化还原活性。因此，将具有各种性质的分子材料的制备与技术课程论文6修饰到纳米表面或掺杂到纳米材料内部，即可获得相应功能化的纳米材料。在Frens方法的基础上，Yonezawa[30]等以氟化烷醇类化合物作为稳定剂，用硼氢化钠还原氯金酸，在碳氟化合物中制得稳定的金纳米粒子，但这些纳米粒子只能溶解在碳氟溶剂中。1994年，Brust[31]等首次合成了以烷基硫醇作为修饰剂的金纳米粒子，具体反应过程是:在两相体系中，用相转移试剂四辛基澳化按将AuCl4—由水相转移至有机相甲苯中，然后在十二烷基硫醇的存在下，用NaBH4还原AuCl4—形成表面修饰有硫醇单分子层的金纳米粒子。该合成方法对金纳米的制备产生了深远的影响，基于此制备的金纳米粒子具有优良的热力学稳定性和化学稳定性，并且通过改变稳定剂和氯金酸的摩尔比可以控制金纳米的粒径。以疏基保护的金纳米，也被称为单层保护簇，粒径分布在1-5nm，由于小的尺寸范围而表现出一些特殊的性质，因此引起了人们广泛的关注[32-35]。图3所示为合成琉基修饰的金纳米粒子的基本路线。其它强极性的试剂也被作为保护剂用于金纳米粒子的制备，如羧基、氨基或磺酸基的硫醇、硅烷基硫醇、硫酚、硫醚等。Wuelfing[36]等合成了以硫醇聚合物修饰的金纳米粒子，此方法改善了金纳米核的稳定性，增强了金纳米粒子的水溶性。Buining[37]等在乙醇溶液中，以硅烷基硫醇作为保护剂还原氯金酸合成了粒径小于5nm的金纳米粒子。Sharma[38]等在水和DMF溶液中，用一步还原合成了由4-氨基苯硫酚修饰的金纳米粒子，其粒径约为3nm。图3金纳米粒子的合成Figure3.Synthesisofgoldnanoparticles金纳米粒子作为纳米粒子的一种，是金原子在纳米尺度的聚集体，它具有很多优点:制备方法成熟、简单。金纳米粒子的制备一般由氯金酸还原制得，在1-100nm范围内都可制备;金纳米粒子在可见光范围内显示出强烈的吸收，而且摩尔吸光系数很高;具有不错的生物相容性，可以和蛋白质等生物大分子物质结合，且不破坏它们的活性。由于它具有的诸多优点，使它在核酸、蛋白质、免疫分析各领域中的应用研究非常活跃。金纳米颗粒和它的纳米级结构具有很多独特的特征，比如超大的比表面积，超强的吸附能力，和电子易转移能力，这些优点使得它在诊断领域中非常有前景。现在，金纳米颗粒已材料的制备与技术课程论文7在很多新兴诊断器械中得到了应用，如多化学生物传感器，表面散射拉曼光谱仪，还有DNA/蛋白质芯片。尽管我们已经取得了很大的成就，但是这些纳米结构的材料的制作非常麻烦，而这些只能仪器的高额费用也对这些实验的应用造成了限制。3.纳米技术在生物医用方面的应用纳米技术在药物当中的应用，即我们日常所成的“纳米药物”，在我们改善人类健康，治疗人类疾病方面的改革非常有前景。我们在纳米领域的研究使得我们在分子级别上的对令人类最为困惑的疾病的研究成为可能，从而在疾病的预防，诊断和治疗中作出