纳米技术在生物传感器及检测中的应用但是

纳米技术在生物传感器及检测中的应用学院：电气与电子工程学院姓名：王炫学号：13110404018摘要: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,也是将来生物医学领域中的一个重要发展方向。纳米颗粒是生物医学中研究最多、应用最广的纳米材料,有着许多独特的性质。本文叙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,以及它们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也介绍了我们进行的有关免疫传感器检测细菌的研究成果。最后,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;生物检测纳米技术是在1～100nm尺度上研究物质的结构和性质的多学科交叉的前沿技术。1959年,美国物理学家Richard首次提出了在纳米空间操纵物质的概念。Drexler将纳米技术定义为“分子制造的产品和过程,即操纵分子并进行分子装配所形成的产物及其控制过程”[1]。纳米生物技术是用于研究生命现象的纳米技术,是纳米技术和生物技术的结合,它是在分子水平上,结合物理,化学和遗传规律对生物材料进行加工,其最终目的是组装成一系列高度功能化的体系,包括:纳米生物传感器,纳米成像,纳米生物芯片,纳米生物相容性人工器官,药物和基因转运纳米载体等,这些研究多以早期诊断疾病,提高临床疗效和改良生物品种为目标。另一方面,医学和生物技术在疾病诊断与治疗方面的进展依赖于对生化过程的深入理解。疾病的诊断追踪到分子水平的异常,称为分子诊断,并可以根据该异常来制定针对单个病人的个性化治疗方案。分子诊断技术除应用于临床诊断外,在生物研究、生化武器的检测,新药研发和治疗新方法的评估,如基因治疗和RNA干扰等方面的地位也十分关键。虽然如今已存在众多用于疾病诊断和治疗的方法,但是采用接近分子水平的研究工具,如纳米颗粒,纳米探针或其他一些纳米材料,将会更好地理解和揭示疾病的发生发展机制。与微加工技术革命化电子工业一样,纳米技术也正为包括基础研究、疾病诊断和治疗在内的生物医学领域的发展带来新的契机。本文将评述目前国际上以纳米颗粒(nanoparticles,NPs)为基础的纳米技术在生物传感器及生物检测中的最新应用及发展前景。1纳米颗粒的特性纳米颗粒通常大于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。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,以及它们光电化学中的应用,是纳米颗粒研究的关键。这种介于微观与宏观之间的一类新的物质层次,出现了许多独特的性质[2]。(1)小尺寸效应:随着颗粒尺寸的变小,在一定条件下会引起颗粒性质的变化。由于颗粒尺寸变小引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对纳米颗粒而言,尺寸变小的同时,其比表面积亦显著地增加,表面原子的电子能级离散、能隙变宽,晶格改变,表面原子密度减小,从而产生一系列新的性质:特殊的光学性质———所有的金属在超微颗粒状态都呈黑色,尺寸越小,颜色越黑,对光的反射率可低于1%;特殊的热学性质———超细颗粒的熔点显著降低,当颗粒小于10纳米量级时尤为明显。(2)量子尺寸效应:介于原子、分子与大块固体之间的纳米颗粒,将大块材料中连续的能带分裂成分立的能级,能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场能或磁能比平均的能级间距还小时,就会呈现一系列与宏观物质截然不同的反常特性。(3)表面效应:纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。球形颗粒的表面积与直径的平方成正比,其体积与直径的立方成正比,故其表面积/体积之比(即比表面积)与直径成反比。随着球形颗粒直径变小,其比表面积将会显著增大,使之具有很高的表面化学活性。表面效应主要表现为熔点降低,比热增大等。(4)宏观量子隧道效应:隧道效应是基本的量子现象之一,即当微观粒子的总能量小于势垒高度时,该粒子仍能穿越这势垒。近年来,人们发现一些宏观量如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量及电荷等也具有隧道效应,它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化,故称之为宏观的量子隧道效应。(5)体积效应:由于纳米颗粒体积极小,所包含的原子数很少,因此,许多与界面状态有关的诸如吸附、催化、扩散、烧结等物理、化学性质将与大颗粒传统材料的特性显著不同,就不能用通常有无限个原子的块状物质的性质加以说明。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。它们能和生物芯片等技术结合,从而使分子检测更加高效、简便。纳米生物传感器在微生物检测,体液代谢物监测以及组织病变,例如肿瘤的早期发现等方面应用较多。2.1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它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pH值以及pM浓度的抗生物素蛋白、Ca2+等生化物质(见图2)[28],今后还可以发展应用到阵列扫描和在体诊断中。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[29]等报导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ATP以及ATP的小分子阻断剂(Gleevec),因此能成为药物开发的一项技术平台(见图3)。第3期王丽江,陈松月等:纳米技术在生物传感器及检测中的应用583图2(A)检测pH值的纳米线生物传感器:纳线FET转换成纳米线传感器的示意图。纳米线分别与源、漏电极(S和D)接触,用于测量电导。电导的变化反映了pH值的改变状态。(B)蛋白质结合的实时检测:生物素修饰的硅纳米线(左)和抗生物素蛋白结合到硅纳米线表面(右)。(C)Ca2+离子的实时检测。(a)经修饰的硅纳米线的时间-电导图,区域1、3代表缓冲液,区域2代表加入Ca2+溶液。(b)未经修饰的硅纳米线的时间-电导图,区域1、2与(a)中相同。箭头标记处为溶液改变时。图3检测ATP和小分子竞争性阻断剂Gleevec的硅纳米线传感器。酪氨酸激酶Abl共价结合在硅纳米线表面,监测纳米线的电导来检测ATP和阻断剂Gleevec。2.2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小组的试验中,经磁场作用,一个10mL的血清样本中能检测到少至五个的病毒颗粒。该系统要比酶联免疫吸附试验(ELISA)敏感,同时也比基于PCR扩增的检测方法有所改进(见图4)[30]。但是利用纳米线场效应晶体管,Hayden[31]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(见图5);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。2.3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,它是将光子所携带的能量转移给金属表面的电子。如今,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,且能大大提高检测的敏感性(见图6)。该SPR纳米生物传感器为只需用简单、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[32]。结合纳米技术、生物学和光子学,Vo-DinhT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,尖端的消散区则会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。利用这种激光纳米传感器,Vo-DinhT等相继报导了在单个活MCF-7细胞(人乳腺癌细胞株细胞)中检测Caspase-9蛋白(见图7)和细胞色素C蛋白活性的实验[33-34]。3纳米技术在生物检测中的典型应用3.1纳米生物芯片生物芯片是在很小几何尺度的表面积上,装配一种和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的生物细胞、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。将纳米技术应用到生物芯片上后,将极大改善这些局限性,它可采用自组装的方法来固定;样本需要量少但敏感性能大大提高;结合微电子技术,高产而成本低。在过去的二十年中,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,是一种新的可望广泛应用的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,标记目标DNA。除了纳米金用于DNA检测和DNA微阵列外,RuBpy-硅颗粒也能用于痕量DNA检测[13],该试验基于“三文治”机制(见图8(c)),能检测pmol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[36]。然而,配位键的性质能显著影响量子点的光物理特性[37]所以限制了它在这方面的应用。微小RNA(miRNAs)是一种高度进化保守的小的未编码RNAs,在动植物细胞内发挥着重要的调节作用,它能剪切mRNAs或是抑制其转录[38,39]。MiRNAs的错误调节会导致多种人类疾病,探明miRNAs的表达情况对于研究miRNAs的生物功能十分重要。大多数的研究小组采用的是Northern杂交和miRNA克隆的方法来分析[40-43],Ruan[44]报导了一种新型的miRNA微阵列,在试验中,目标miRNA的3’末端先被生物素标记,然后与固定在玻片上的互补寡核苷酸-DNA进行杂交,再加入抗生物素修饰的量子点,最后检测结合在miRNA上的量子点的荧光强度;也可以加入纳米金探针,经银沉淀加强后检测(见图9)。相比Northern杂交等方法,该途径增强了检测效率,同时灵敏度也大大提高。图9QD或纳米金探针标记-银加强为基础的miRNA微阵列5结束语纳米生物技术是国际生物技术领域的前沿和热点问题,在生物传感器及生物检测领域中有着广泛的应用和明确的产业化前景,特别是纳米生物传感器、微型智能化医疗器械以及纳米药物载体等,将在586传感技术学报2006年疾病的诊断、治疗和卫生保健方面发挥重要作用。未来的研究方向将在纳米磁性材料及其生物医学应用、纳米材料的生物安全性、生物医学诊断与治疗、纳米器件(包括细胞分离)、生物芯片技术等方面。此外,纳米生物技术的发展需要不同学术背景的研究者密切合作,通过概念、知识和技术上的互相交流来达到不断创新、共同进步,