納米材料科學(xué)在超靈敏生物檢測中的應(yīng)用

   等離子納米材料由于其獨(dú)特可調(diào)節(jié)的光學(xué)性質(zhì)而被廣泛用于食品安全檢測、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。近年來出現(xiàn)的新型納米材料自組裝技術(shù)及不同構(gòu)型納米組裝體特殊的光學(xué)性質(zhì)，同時對納米自組裝材料在生物超靈敏檢測方面的應(yīng)用進(jìn)行了研究，并對納米材料在光學(xué)傳感檢測方面的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

   納米材料的發(fā)展可分為三個階段：

   第一階段是1990年以前，主要是采用各種不同的方法合成各種納米晶材料，研究該材料的表征方法并探索與其它常規(guī)材料不同的特殊性質(zhì);
   第二階段是從1990年到1994年，人們開始探索何如通過已經(jīng)研究出來具有特殊性質(zhì)的納米材料構(gòu)建新型納米復(fù)合材料;
   第三階段是從1994年到現(xiàn)在，這一階段人們開始按照自己的意愿以單個納米顆粒作為基本元素按照一定的空間排布組裝具有空間結(jié)構(gòu)的新型材料， 即納米組裝體。
   納米組裝體系的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了費(fèi)曼的偉大預(yù)言，是納米材料科學(xué)研究新階段開始的成功標(biāo)志， 也是目前納米材料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題。
   1、等離子體納米材料
    等離子體又被稱為電漿，是由一系列的原子在失去部分電子后及原子被電離后產(chǎn)生的正負(fù)電子構(gòu)成的離子化氣態(tài)狀的物質(zhì)。
 　等離子納米材料主要是由貴金屬納米粒子及其在納米尺度的約束下形成的不同形狀的貴金屬納米粒子組裝結(jié)構(gòu)，其中主要包括金納米粒子、金納米棒、銀納米粒子和銅納米粒子等不同形狀不同材料構(gòu)成的納米粒子及其特定組裝結(jié)構(gòu)。
 　金納米粒子是目前應(yīng)用最為廣泛的一種等離子體納米材料。一方面是由于金納米粒子具有非 常高的消光系數(shù)，如 13 nm金納米顆粒的消光系數(shù)高達(dá) 2.7×10^8 mol/(L·cm)，比一般的染料分子高1000倍以上，根據(jù) Beer-Lambert 定律可知，金納米粒子所能達(dá)到的檢測限遠(yuǎn)低于染料分子。
 　另一方面，由于金納米粒子體系在不同狀態(tài)下會有不同的顏色變化，因此金納米粒子在可視化檢測中占有重要的地位。
 　另外，由于金納米粒子本身在細(xì)胞內(nèi)不會產(chǎn)生危害，并且具有很好的熒光性、導(dǎo)電性和催化性質(zhì)等，基于金納米粒子的組件已廣泛應(yīng)用于光學(xué)材料、生物傳感器、小型化光學(xué)設(shè)備、光熱治療，以及癌癥早期診斷及藥物傳遞等領(lǐng)域。
 　2、納米材料自組裝技術(shù)
 　隨著納米技術(shù)的快速發(fā)展，如何利用單個納米材料去營造具有獨(dú)特的物理、化學(xué)、電磁學(xué)等性質(zhì)的新物質(zhì)體系己成為人們研究的熱點(diǎn)問題。 納米自組裝技術(shù)是一種由下到上的組裝方法，它可以將單個納米材料組裝成具有一維、二維或者三維空間構(gòu)象的新型復(fù)合材料。
 　這類材料具有一定規(guī)則的幾何外形，構(gòu)象穩(wěn)定，帶有單個納米材料所不具備的奇特的光電等性質(zhì)，并且通過改變基本構(gòu)成元素可以對納米組裝體的光學(xué)活性進(jìn)行可控調(diào)節(jié)。
 　自組裝過程并不是大量原子、離子、分子之間弱作用力的簡單疊加，而是若干個體之間通過分子間特殊的相互作用，如靜電吸引、氫鍵、疏水性相互作用等組裝成有序的納米結(jié)構(gòu)，是一種整體的復(fù)雜的協(xié)同作用。
 　其中，利用分子模板將納米材料組裝成具有固定結(jié)構(gòu)的組裝體是目前研究最多的組裝方式，可用于模板組裝的物質(zhì)主要有有機(jī)物、多肽、蛋白質(zhì)、DNA等。
 　DNA origin 自組裝技術(shù)構(gòu)建金納米粒子三維螺旋體的示意圖
 　3、納米自組裝體的光學(xué)性質(zhì)
 　納米粒子光學(xué)性質(zhì)受金屬材料的尺寸、復(fù)合介電函數(shù)、材料的介電結(jié)構(gòu)等多個條件的影響，其中材料尺寸和結(jié)構(gòu)對吸收光譜的影響較大且比較復(fù)雜。
 　而當(dāng)單個納米粒子按照一定方式排列成具有特定幾何構(gòu)型的納米組裝體時，該材料會呈現(xiàn)出單個納米粒子不具備的特殊的光學(xué)性質(zhì)，其中納米組裝體圓二色性和表面增強(qiáng)拉曼散射效應(yīng)是研究的熱點(diǎn)問題。
 　圓二色性
 　手性材料在圓二色光譜的可見光區(qū)有很強(qiáng)的手性信號。在納米材料領(lǐng)域，手性是按照納米材料對光的偏轉(zhuǎn)作用來定義的，若該材料能夠使經(jīng)過它的光偏轉(zhuǎn)平面向右旋轉(zhuǎn)，則該材料是右手性的;若向左旋轉(zhuǎn)，則是左手性的;若無旋轉(zhuǎn)作用則是無手性的。
 　目前，對于納米自組裝結(jié)構(gòu)的手性來源主要有兩種解釋：
 　1)用于組裝納米材料的手性分子的手性轉(zhuǎn)移。DNA、蛋白質(zhì)、多肽等手性分子，在電磁場的作用下，可以誘導(dǎo)非手性納米粒子產(chǎn)生手性信號，該手性信號的強(qiáng)度明顯比手性配體產(chǎn)生的信號強(qiáng);
 　2)納米組裝體自身的結(jié)構(gòu)手性。當(dāng)納米粒子按照不對稱四面體或者螺旋體結(jié)構(gòu)排列時，顆粒之間會產(chǎn)生很強(qiáng)的偶極–偶極相互作用，從而在納米材料表面等離子共振峰處產(chǎn)生強(qiáng)烈的手性信號。
 　手性納米自組裝結(jié)構(gòu)以其獨(dú)特的光學(xué)活性及其巨大的潛在應(yīng)用吸引了科研界的極大關(guān)注，是目前研究的熱點(diǎn)之一。
 　DNA origin 技術(shù)用于構(gòu)建手性金納米粒子螺旋結(jié)構(gòu)示意圖及手性原理圖
 　表面增強(qiáng)拉曼散射
 　金和銀納米顆粒具有很強(qiáng)的表面等離子拉曼增強(qiáng)效果，因此被廣泛用于拉曼散射檢測技術(shù)的背底材料。
 　4、納米自組裝體的超靈敏生物檢測
 　當(dāng)單個納米粒子組裝成具有固定幾何構(gòu)型的納米結(jié)構(gòu)時， 該材料會表現(xiàn)出獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)，并且隨著外界條件的改變，納米材料的光學(xué)信號也會發(fā)生很明的變化。基于這一事實(shí)，通過加入外源性物質(zhì)改變納米自組裝體的光學(xué)信號從而用于食品、環(huán)境、生物等領(lǐng)域的檢測是目前研究的熱點(diǎn)問題。
   比色法傳感器
   金納米粒子的一個顯著特點(diǎn)就是其溶液的顏色會隨著分散狀態(tài)的改變而發(fā)生變化，當(dāng)金納米粒子由分散逐漸聚集的時候，由于粒子間的表面等離子共振偶合會導(dǎo)致其顏色由酒紅色轉(zhuǎn)變成藍(lán)灰色。因此，這種金納米粒子溶液外在顏色的變化可用于比色法生物傳感器的構(gòu)建。
   Chen xiaoyuan 等利用金納米溶液的顏色變化建立了腸道病毒71型(EV71)的比色傳感器。先將Ab1 固定在酶標(biāo)板內(nèi)，BSA 封閉，再加入不同濃度目標(biāo)物(EV71)，隨后加入磁珠富集的 Ab2-乙酰膽堿酶形成三明治模式；
 　　當(dāng)向體系中加入乙酰膽堿和檸檬酸修飾的金納米粒子時，乙酰膽堿酯酶(AChE)催化乙酰膽堿水解生成硫代膽堿，硫代膽堿帶正電荷可以使的表面帶負(fù)電荷的金納米粒子聚集，通過納米金的紫外吸收比值建立EV71 的檢測標(biāo)準(zhǔn)曲線。 該方法的靈敏度可以與PCR 相媲美。
 　手性傳感器
 　手性納米材料在圓二色譜的可見光區(qū)會產(chǎn)生強(qiáng)烈的手性信號，該信號對組裝體幾何構(gòu)型的變化十分敏感，即使很微小的變化都會引起圓二色光譜極大的不同。相比于其他納米傳感檢測方法，利用手性信號作為檢測信號，操作簡單、快速、無污染，可用于食品、生物、醫(yī)藥等領(lǐng)域的超靈敏痕量檢測。
 　Tang zhiyong 等人通過表面修飾DNA的金納米棒，利用金納米棒聚集產(chǎn)生的手性信號及DNA 的熱敏感效應(yīng)，首次建立了溫度敏感的動態(tài)納米手性材料。
 　Ma Wei 等通過PCR技術(shù)將金納米棒組裝成具有手性信號的 side-by-side 結(jié)構(gòu)，并基于此結(jié)構(gòu)建立了DNA 的超靈敏手性檢測方法，LOD可達(dá)到3.7 amol/L。
 　另外，Wu xiaoling 等通過PSA的抗原抗體特異性識別組裝了大金和小銀的二聚體組裝結(jié)構(gòu)，建立了PSA的超靈敏手性傳感器，LOD可達(dá)到15 zmol/L，是目前PSA的最低檢測線。
 　基于 PCR 技術(shù)的金納米棒自組裝原理圖
 　SERS 傳感器
 　表面增強(qiáng)拉曼光譜(SERS)檢測技術(shù)由于其高探測靈敏度、高分辨率、不破壞樣品、可猝滅熒光、穩(wěn)定性好及適合研究界面等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于環(huán)境、醫(yī)藥和生物檢測等領(lǐng)域，并且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)系列目標(biāo)物的傳感檢測。
 　這些目標(biāo)物包括原子組成的離子、無機(jī)陰離子、病原標(biāo)志物、生物代謝物甚至低親和力的靶標(biāo)分子和其他檢測非?？量痰纳锬繕?biāo)物。拉曼光譜傳感檢測技術(shù)具有應(yīng)用的多樣性和廣泛性，對各種生物、化學(xué)分析領(lǐng)域的分析目標(biāo)物都有較大的檢測潛能。
 　5、總結(jié)與展望
 　等離子納米材料由于其獨(dú)特可調(diào)節(jié)的光學(xué)性質(zhì)而被廣泛用于食品安全檢測、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。
 　基于分子模板的自組裝技術(shù)可以很好的控制納米粒子的空間排布及組裝體的結(jié)構(gòu)外形，從而得到具有一維、二維、三維等不同幾何構(gòu)型的納米組裝體，使其在生物分子檢測、醫(yī)學(xué)成像等方面有著重要的應(yīng)用價(jià)值。
 　納米材料自組裝技術(shù)及其在超靈敏生物檢測中的應(yīng)用