金納米粒子在生物檢測方面的應用

1、摘要：納米科學是在上個世紀末才逐漸發(fā)展起來的新型科學領域，現(xiàn)在對其研究發(fā)展已經(jīng)成為科學家們競相研究的熱點。其中金納米粒子由于其獨特的光學、熱學、電學、磁學以及化學方面的性質，使得金納米粒子在催化、生物傳感器、生物醫(yī)學等方面具有重要應用。本文綜合概述了納米技術尤其是金納米粒子技術現(xiàn)在在生物醫(yī)學方面的研究進展。關鍵詞：納米技術，金納米粒子1納米技術概述納米科學是在上個世紀末才逐漸發(fā)展起來的新型科學領域，由于它對未來的科技、經(jīng)濟和社會發(fā)展都具有重大的影響力，因而納米科學的研究發(fā)展已經(jīng)成為科學家們競相研究的熱點1。最早提出納米尺度上的科學和技術的是諾貝爾物理學獎獲得者，美籍物理學家R. Feynman

2、，他于1959年做演講時提出設想:“如果人類能夠在原子/分子的尺度上來加工材料、制備裝置，我們將有許多激動人心的新發(fā)現(xiàn)”2。1990年7月，在美國巴爾的摩召開了第一屆國際納米科學技術會議，會上正式確立了“納米科學技術”這一嶄新的命題。1.1納米材料的定義納米材料是一種超微粒子，它是指晶粒或微粒的三維尺寸中任意一維的尺寸在1-l00 nm范圍內3。圖1形象地顯示了各種物體的尺寸范圍。納米材料既不屬于宏觀系統(tǒng)亦非微觀系統(tǒng)，它的狀態(tài)是一種介于宏觀和微觀領域之間的過渡態(tài)，被稱為介觀領域4,5。由于其特殊的尺寸分布，納米材料擁有很多獨特的物理化學性能，具體表現(xiàn)為:表面效應、量子尺寸效應、小尺寸效應和宏觀

3、量子隧道效應6-8。圖1 納米尺度的長度展示Figure 1. Length scale showing the nanometer1.2納米材料的特征在納米尺度下，物質中電子的波性以及原子之間的相互作用將受到尺度大小的影響。在這個尺度時，物質會出現(xiàn)完全不同的性質:(1)表面效應當物質的直徑減小到納米尺度時，會引起它的表面原子數(shù)、表面積和表面能的大幅度增加。由于表面原子的周圍缺少相鄰的原子，使得物質出現(xiàn)大量剩余的懸鍵，具有不飽和的性質。同時，表面原子具有高度活性，極不穩(wěn)定，它們很容易與外界的原子結合，形成穩(wěn)定結構。(2)小尺寸效應隨著物質尺寸的量變，在一定條件下會引起物質的性質的質變。由于物質

4、尺寸變小所引起的宏觀物理性質的變化稱為小尺寸效應。納米顆粒尺寸小，比表面積大，在熔點、磁性、熱阻、電學性能、光學性能、化學活性和催化性等與大尺度物質相比都發(fā)生了變化，產(chǎn)生了一系列奇特的性質。納米材料具有和生物分子如蛋白質(酶、抗體、抗原)和DNA相似的尺寸。由金屬、半導體、碳、高分子以及有機分子制得的納米管、納米線等納米材料因其獨特的電、光和催化性質能提高生物傳感器的響應被用于電化學生物傳感器的研制。(3)量子尺寸效應金屬大塊材料的能帶可以看成是連續(xù)的，介于原子和大塊材料之間的納米材料的能帶將分裂成分立的能級，即能級量子化。這種能級間的間距隨著顆粒尺寸的減小增大9。當能級間距大于熱能、光子能量

5、、靜電能、磁能、靜磁能或超導態(tài)的凝聚能的平均能級間距時，就會出現(xiàn)一系列與大塊材料不同的反常特性，稱之為量子尺寸效應10-11。這種量子尺寸效應導致納米顆粒的磁、光、電、聲、熱以及超導電性等特征與大塊材料顯著不同12。(4)宏觀量子隧道效應微觀粒子具有穿越勢壘的能力稱之為隧道效應。近年來，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀的物理量，如微小顆粒的磁化強度，量子相干器件中磁通量以及電荷等也具有隧道效應，它們可以穿越宏觀系統(tǒng)的勢壘產(chǎn)生變化。宏觀量子隧道效應的研究對基礎研究的應用都有重要的意義。例如，它限定可采用磁帶、磁招進行信息存儲的最短時間。這種效應和量子尺寸效應一起，將會是未來微電子器件的基礎，它們確定了微電子器件

6、的進一步微型化的極限。1.4納米材料與生物技術從20世紀90年代開始，人們真正認識到材料的量子尺度效應的重要作用，并由此提出了納米材料的概念。在過去短短的十幾年里，這一研究領域已經(jīng)取得了令人矚目的進展。在材料制備方面，已經(jīng)可以大批量合成多數(shù)的無機半導體和金屬納米粒子。在性質研究方面，對不同材料在納米尺度下的量子尺寸效應和表面效應都有了比較深入的認識。這些成果為納米材料在不同領域的廣泛應用奠定了堅實的基礎，開發(fā)納米材料的各種全新應用已經(jīng)成為納米技術研究的主要發(fā)展方向。在納米技術發(fā)展過程中，納米材料在信息技術領域的應用始終是研究的熱點，科學家們希望利用納米技術構建體積更小、運算速度更快的芯片。近年

7、來，納米材料在生物醫(yī)療領域的應用潛力也吸引了人們的廣泛關注。一般來說，納米材料的尺寸在1-100 nm范圍內，而大多數(shù)重要的生物分子(如蛋白質、核酸等)的尺寸都在這一范圍內，因此可以利用納米材料進入生物組織內部，從而在分子水平上探測生理活動，揭示生命過程。同時，自然界中的生物體系為人們提供了各種功能結構的納米機器的范例，借鑒生物學原理將納米材料和生物分子結合進行人工分子器件、納米傳感器、納米計算機的設計與制造，從而實現(xiàn)人工納米機器的制造。2. 金納米粒子貴金屬納米粒子具有良好的物理性能，在諸多領域都具有非常重要的作用。一方面，它們是研究光量子限域效應、磁量子限域效應以及其它納米材料特有屬性的典

8、型體系;另一方面，它們被廣泛應用于感光、催化、生物標識、光子學、光電子學、信息存儲、表面增強拉曼散射等諸多領域13-16。金屬納米粒子尤其是金納米微粒的尺寸、形狀和結構控制以及相應的物理性質一直是材料科學以及相關領域的前沿熱點。近年來，對于金納米材料的研究取得了長足的進步，人們不但可以制備出不同尺寸的球形粒子還可以對其形貌加以控制，制備出許多不同形貌的一維材料，并發(fā)現(xiàn)了一些特殊的實驗現(xiàn)象和物理性質，許多科研小組在這方面己取得了重大成果17。 金納米粒子溶液是一種分散相粒子直徑在1150 nm之間的金溶膠，屬于多相不均勻體系，顏色呈橘紅色到紫紅色。在溶液中金顆粒呈圓形，邊緣平滑、完整，界限十分清

9、楚，使其具有確定性。金納米粒子表面帶有負電荷 AuCl4，由于靜電的排斥力，使其在水中保持穩(wěn)定狀態(tài)，并能吸附水中的H+形成穩(wěn)定的膠體，所以也稱其為膠體金，其結構如圖2。 圖2 金納米粒子的結構圖Figure 2. Structure of gold nanoparticles金納米粒子有獨特的光學、熱學、電學、磁學以及化學方面的性質，這些性質與尺度密切相關，表現(xiàn)為等離元共振吸收(Surface Plasmon Resonance, SPR)，拉曼散射(Raman Scattering, RS )、以及提高催化活性以及生物相容性等。這些特性使得金納米粒子在催化、生物傳感器、生物醫(yī)學等方面具有重要

10、應用。其中在生物傳感器及生物醫(yī)學等方面的應用需要將金納米粒子表面進行修飾。而未加修飾的金納米粒子可以應用于光學和電學元、器件以及催化等方面中。2.1 金納米粒子的制備金納米粒子的制備方法已有報道，可分為物理法及化學法。前者是通過各種分散技術將本體金直接轉變?yōu)榧{米粒子，如真空蒸鍍法、激光消融法、軟著陸法和激光誘導尺寸消減技術等18-25;后者是將反應物(如氯金酸)通過化學還原，光解，熱解，超聲波分解，電解等方法產(chǎn)生金原子，金原子聚集而形成金納米粒子。相比而言，化學方法操作簡便，粒子尺寸形狀可控性較好，被廣泛地應用于金納米粒子的制備26。通常，納米粒子在形成過程中因其疏水性而具有發(fā)生聚集的傾向，因

11、此合成單分散性好的金納米粒子，需要在制備過程中另外加入穩(wěn)定劑，如烷基硫醇或者大分子聚合物、枝狀化合物、聚電解質、反相膠束/微乳液、表面活性劑等。(1)物理法物理法包括真空沉淀法、激光消融法和電分散法等。真空沉淀法是將高定向裂解石墨基底裝入沉積室，用超真空電子束轟擊加熱蒸發(fā)而產(chǎn)生無機納米粒子，最后在基底上進行沉積。侯士敏27等利用真空沉淀法在高定向石墨基底上直接制備了粒徑分布較小的金納米粒子，金納米粒子進一步聚合長大形成準一維的金納米線，這一研究為制備由金粒子組成的有序納米結構開辟了探索途徑。激光消融法是常用的制備金納米粒子的物理方法，是將金片置于十二烷基磺酸鈉的水溶液中，用激光燒蝕生成金納米粒

12、子，表面活性劑用于阻止金納米粒子的聚集。Mafune28等就運用了激光消融法在十二烷基硫酸鈉的水溶液中制備了金納米粒子，且納米尺寸會隨著表面活性劑濃度的增大而變小。與物理方法相比較，化學合成方法操作簡便，形成的納米微粒尺寸、形狀可控性較好，因而化學法被廣泛的用于金納米的制備。(2)化學還原法化學還原法通常是以檸檬酸鈉、草酸、NaBH4、鞣酸等作為還原劑，通過還原Au(III)來制備金納米粒子。經(jīng)典的Frees29法就是利用檸檬酸鈉作為還原劑和保護劑，通過還原氯金酸制備得到金納米粒子，且通過調節(jié)檸檬酸鈉和氯金酸的摩爾比，可調節(jié)金納米粒子的粒徑。由于納米材料具有很高的表面能，使得它的穩(wěn)定性和可加工

13、性較差，因此為了得到穩(wěn)定的金納米粒子，必須對其表面進行改性，更重要的是，金納米粒子表面的保護層在增強穩(wěn)定性的同時還能保持其自身的光學、電化學或氧化還原活性。因此，將具有各種性質的分子修飾到納米表面或摻雜到納米材料內部，即可獲得相應功能化的納米材料。在Frens方法的基礎上，Yonezawa30等以氟化烷醇類化合物作為穩(wěn)定劑，用硼氫化鈉還原氯金酸，在碳氟化合物中制得穩(wěn)定的金納米粒子，但這些納米粒子只能溶解在碳氟溶劑中。1994年，Brust31等首次合成了以烷基硫醇作為修飾劑的金納米粒子，具體反應過程是:在兩相體系中，用相轉移試劑四辛基澳化按將AuCl4由水相轉移至有機相甲苯中，然后在十二烷基硫

14、醇的存在下，用NaBH4還原AuCl4形成表面修飾有硫醇單分子層的金納米粒子。該合成方法對金納米的制備產(chǎn)生了深遠的影響，基于此制備的金納米粒子具有優(yōu)良的熱力學穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性，并且通過改變穩(wěn)定劑和氯金酸的摩爾比可以控制金納米的粒徑。以疏基保護的金納米，也被稱為單層保護簇，粒徑分布在1-5 nm，由于小的尺寸范圍而表現(xiàn)出一些特殊的性質，因此引起了人們廣泛的關注32-35。圖3所示為合成琉基修飾的金納米粒子的基本路線。其它強極性的試劑也被作為保護劑用于金納米粒子的制備，如羧基、氨基或磺酸基的硫醇、硅烷基硫醇、硫酚、硫醚等。Wuelfing36等合成了以硫醇聚合物修飾的金納米粒子，此方法改善了金納

15、米核的穩(wěn)定性，增強了金納米粒子的水溶性。Buining37等在乙醇溶液中，以硅烷基硫醇作為保護劑還原氯金酸合成了粒徑小于5 nm的金納米粒子。Sharma38等在水和DMF溶液中，用一步還原合成了由4-氨基苯硫酚修飾的金納米粒子，其粒徑約為3 nm 。圖3金納米粒子的合成Figure 3. Synthesis of gold nanoparticles金納米粒子作為納米粒子的一種，是金原子在納米尺度的聚集體，它具有很多優(yōu)點:制備方法成熟、簡單。金納米粒子的制備一般由氯金酸還原制得，在1-100 nm范圍內都可制備;金納米粒子在可見光范圍內顯示出強烈的吸收，而且摩爾吸光系數(shù)很高;具有不錯的生物相

16、容性，可以和蛋白質等生物大分子物質結合，且不破壞它們的活性。由于它具有的諸多優(yōu)點，使它在核酸、蛋白質、免疫分析各領域中的應用研究非?；钴S。金納米顆粒和它的納米級結構具有很多獨特的特征，比如超大的比表面積，超強的吸附能力，和電子易轉移能力，這些優(yōu)點使得它在診斷領域中非常有前景?，F(xiàn)在，金納米顆粒已在很多新興診斷器械中得到了應用，如多化學生物傳感器，表面散射拉曼光譜儀，還有DNA/蛋白質芯片。盡管我們已經(jīng)取得了很大的成就，但是這些納米結構的材料的制作非常麻煩，而這些只能儀器的高額費用也對這些實驗的應用造成了限制。納米技術在藥物當中的應用，即我們日常所成的“納米藥物”，在我們改善人類健康，治療人類疾病

17、方面的改革非常有前景。我們在納米領域的研究使得我們在分子級別上的對令人類最為困惑的疾病的研究成為可能，從而在疾病的預防，診斷和治療中作出重大突破。納米科技的快速發(fā)展，尤其是納米顆粒，在癌癥的診斷，治療和檢測方面具有非?？捎^的前景。我們通過納米顆粒技術合成先進的化學藥劑，不斷增加其溶解性和維持不變的保留溫度，從而提高其傳導能力，這項技術是納米藥物現(xiàn)在熱門的研究領域。另外，納米顆?；顫姷陌邢蚰芰?，通過偶合與腫瘤表面特異性結合，從而提高納米顆粒藥物的傳導效率，同時有效減少毒性。也許納米藥物的研究最令人振奮的進展就是能使腫瘤和藥物傳遞同時成像的多功能納米顆粒系統(tǒng)。在最近一段時間，納米藥物已經(jīng)開始在全球

18、市場擁有強有力的競爭力。盡管人類已經(jīng)做出了許多的努力和研究，但是癌癥仍然是全球范圍內死亡率最高的疾病之一，2007年，全球有7，021，000以上的人死于癌癥，癌癥已經(jīng)是世界上擁有第二死亡率的疾病，占所有疾病的12.5%。盡管在過去的幾十年中，我們在癌癥領域的研究已經(jīng)有了非凡的進步，但是，目前的診斷和治療方法仍然依靠對人體有侵略性的，粗略的，非特異性的技術，例如放射療法和化學藥劑。癌癥仍然是致命性的，而且現(xiàn)有的治療方式也很難有效預防癌癥。納米科技在藥物方面的應用，在一般性衛(wèi)生保健方面、癌癥診斷和針對性治療方面非常有前景。況且，對癌癥病人的治療很大程度上取決于癌癥的早期診斷，因此，對癌癥初期的靈

19、敏性檢測技術的發(fā)展一直是一個很重要的問題，一般情況下，對癌癥早期的檢查和檢測一般是通過對有代表性的生物標記進行檢測，然而，由于人體內這些生物標記的濃度一般都很低，以至于常規(guī)診斷方法很難在某些特定的癌癥初期將其檢測出來，因此，在臨床診斷中，降低檢測限(Limit of Detection,LOD)至關重要。參考文獻1郭天喜.對納米科技發(fā)展的認識及應用展望.懷化學院學報，2002, 21: 27-30.2劉端直.論當今納米科技革命的醞釀和發(fā)展.成都理工大學學報(社會科學版), 2008, 16: 91-96.3楊云,聶立波.，2006,20: 123-127.4OZIN GA. Nanochemi

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