等離子納米材料在生物診斷上的應(yīng)用(共10頁(yè))

1、等離子納米材料在生物診斷(zhndun)上的應(yīng)用摘要(zhiyo)：近年來(lái)，生物(shngw)診斷方法飛速發(fā)展，表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）為待測(cè)物提供了“化學(xué)指紋”，使得生物診斷達(dá)到的了分子水平，但是現(xiàn)有診斷方法存在耗時(shí)長(zhǎng)、設(shè)備試劑要求高、檢測(cè)極限低，SERS信號(hào)弱等缺陷而不利于在實(shí)際臨床中推廣。貴金屬納米顆粒的局部等離子共振屬性能夠很好的解決上述問(wèn)題。其本身的吸收光譜特性能夠在不同條件下產(chǎn)生快速的、肉眼可分辨的明顯顏色變化，此外，等離子納米材料的存在使得SERS信號(hào)的數(shù)量級(jí)提升數(shù)倍1，推進(jìn)了無(wú)標(biāo)記（label-free）SERS的應(yīng)用2, 3。本文章的重點(diǎn)放在近年來(lái)所報(bào)道的LSPR在生物診

2、斷上的應(yīng)用，從生物標(biāo)志物檢測(cè)、藥物系統(tǒng)示蹤、細(xì)胞組織成像和DNA檢測(cè)四個(gè)方面分別研究相應(yīng)的生物探針的構(gòu)造方法、作用機(jī)理和應(yīng)用。關(guān)鍵詞：局部等離子共振；生物診斷；藥物示蹤；細(xì)胞組織成像；DNA檢測(cè)金屬納米顆粒（如金納米顆粒），在臨床診斷中顯示出巨大的前景，由于其具有表面等離子共振（SPR）現(xiàn)象而被用于檢測(cè)目標(biāo)生物分子；SPR是由于被入射光激發(fā)時(shí)電子的集體震蕩，該入射光的頻率和表面電子震蕩（由于原子核吸引產(chǎn)生）的固有頻率。金屬納米顆粒的等離子表面的光學(xué)激發(fā)導(dǎo)致納米尺度的局部電磁場(chǎng)納米空間約束場(chǎng)或局部表面等離子震蕩（LSPR）。當(dāng)入射光波長(zhǎng)和納米顆粒的LSPR頻率相符合時(shí)，這個(gè)局部場(chǎng)增加到最大。對(duì)于

3、等離子納米顆粒，LSPR會(huì)產(chǎn)生在可見(jiàn)光頻率上的顯著的吸收峰，以及在顆粒表面的強(qiáng)電磁場(chǎng)，該電磁場(chǎng)能夠極化納米顆粒周?chē)植康目臻g4。這意味著在納米顆粒和溶液接觸面的相互作用影響共振情況，可通過(guò)吸光度的變化以及溶液顏色變化來(lái)檢測(cè)。 例如球形的分布均勻的AuNPs的SPR會(huì)產(chǎn)生特定的亮紅色溶液，可以通過(guò)改變Au納米結(jié)構(gòu)的形態(tài)產(chǎn)生光學(xué)屬性的巨大變化，由此調(diào)整SPR波長(zhǎng)和溶液的顏色；金納米棒（AuNRs），自由電子能夠沿著長(zhǎng)軸和短軸震蕩，產(chǎn)生兩種等離子波長(zhǎng)；通過(guò)改變棒的長(zhǎng)寬比，可以使得長(zhǎng)軸等離子波長(zhǎng)在近紅外區(qū)（NIR），適用于700-900nm范圍的探測(cè)器檢測(cè)，此時(shí)血紅蛋白和水的吸光度最低，能夠最大限度使

4、光穿過(guò)血液和組織，Kabashin使用納米金棒組裝成超材料作為基底，最終檢測(cè)極限的顯著改進(jìn)闡明了該方法的靈活性5。此外，和AuNPs相比，它們顯示出更強(qiáng)的光吸收和更高的散射截面在SPR波長(zhǎng)范圍。金納米星（Au nanostars） 在突出的尖角上有增強(qiáng)場(chǎng)，能夠輕易被被測(cè)分子獲得，LSPR峰向NIR移動(dòng)6。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，等離子熱點(diǎn)是通過(guò)納米顆粒的化學(xué)聚集產(chǎn)生的，這種聚集一般是不可逆的，因此納米顆粒不能重新分布在溶液中進(jìn)一步使用。Partha等人通過(guò)交替開(kāi)關(guān)單瞬逝光波，實(shí)現(xiàn)在金屬-溶液的界面的等離子納米顆?？赡娴慕M裝7。本文章的重點(diǎn)放在近年來(lái)所報(bào)道的LSPR在生物診斷上的應(yīng)用，從生物標(biāo)志物檢測(cè)、藥物

5、系統(tǒng)示蹤、細(xì)胞組織成像和DNA檢測(cè)四個(gè)方面分別研究相應(yīng)的生物探針的構(gòu)造方法、作用機(jī)理和應(yīng)用。生物標(biāo)志物檢測(cè)生物標(biāo)志物（Biomarker）是指可以標(biāo)記系統(tǒng)、器官、組織、細(xì)胞及亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)或功能的改變或可能發(fā)生的改變的生化指標(biāo)，可用于疾病診斷、判斷疾病分期，因此，對(duì)生物標(biāo)志物的檢測(cè)尤為重要。傳統(tǒng)生物檢測(cè)(jin c)生成一個(gè)信號(hào)，該信號(hào)是和待測(cè)物濃度直接成正比，因此待測(cè)物最低濃度導(dǎo)致最小信號(hào)響應(yīng)。Lorenzo等人8做的實(shí)驗(yàn)使用相反(xingfn)方法，使得信號(hào)(xnho)和待測(cè)物濃度成反比。這意味著當(dāng)目標(biāo)分子的濃度在最低時(shí)，信號(hào)最大。如圖Figure 1所示，該檢測(cè)是基于Ag納米粒子在Au納米星

6、溶液中，銀在金上的取向附著生長(zhǎng)導(dǎo)致金納米星的LSPR藍(lán)移。其使用葡萄糖氧化酶（GOx）來(lái)控制Ag納米結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)。GOx生成過(guò)氧化氫，減少銀離子，決定了Ag在溶液中是成核還是圍繞金納米星取向附著生長(zhǎng)。低濃度GOx使Ag粒子附著，產(chǎn)生LSPR的藍(lán)移信號(hào)。而在高GOx濃度時(shí)，獨(dú)立成核更容易，導(dǎo)致LSPR的偏移的減弱。GOx和抗體相連，并且在經(jīng)典酶聯(lián)免疫法中在Au納米星表面作為標(biāo)記物。該試驗(yàn)也可用來(lái)檢測(cè)前列腺特異抗原（PSA），在全血清中這是一個(gè)重要的癌相關(guān)的生物標(biāo)志物。該方法能夠使極限降為10-18g mL-1（410-20M），這是顯著的低檢測(cè)極限。Figure 1 （A）葡萄糖氧化酶控制的Ag的

7、沉積/成核，影響Au納米星的LSPR的偏移。（B）金納米星TEM成像（50 nm 尺度）。（C）濃度響應(yīng)曲線(xiàn)顯示反比例敏感，LSPR光譜偏移隨著在血清中PSA濃度。超靈敏檢測(cè)常常僅在使用精細(xì)的昂貴的設(shè)備和試劑才能被觀察到。在資源被限制的情況下，以下技術(shù)能幫助處理一些實(shí)驗(yàn)條件不佳的實(shí)驗(yàn)。Rica團(tuán)隊(duì)9研究了超敏ELISA，通過(guò)使用AuNPs的等離子屬性來(lái)產(chǎn)生低濃度待測(cè)物的比色反應(yīng)，可被肉眼直接觀察。作為標(biāo)準(zhǔn)ELISA檢測(cè)，分析分子被固定在基底的特定抗體捕獲。一旦被捕獲，之后的洗滌液引入主要抗體和酶標(biāo)記的第二抗體復(fù)合體，該酶催化分解過(guò)氧化氫。將AuNP前體（三水合氯化金）加入到ELISA板上，體系

8、中過(guò)氧化氫的濃度影響AuNPs的生長(zhǎng)，過(guò)氧化氫濃度高則更易于形成非聚集的球形NPs，溶液顏色為紅色；過(guò)氧化氫濃度低則更易于形成聚集的NPs，溶液為藍(lán)色。藍(lán)色和紅色可以容易的通過(guò)肉眼分辨，如圖Figure 2所示，不需要昂貴的分析設(shè)備來(lái)讀取信號(hào)。使用PSA和HIV-1殼抗原p24可以被檢測(cè)在全血清中，超低濃度10-18gmL-1。Figure 2 酶控AuNP成核和聚集狀態(tài)通過(guò)H2O2演變引起比色響應(yīng)HIV-1殼抗原p24，BSA作為對(duì)比組。很多基于(jy)SERS的免疫實(shí)驗(yàn)已經(jīng)使用小的拉曼標(biāo)記(bioj)偶聯(lián)到使用配體修飾的AuNPs上，但是(dnsh)由于特定的拉曼標(biāo)記過(guò)弱導(dǎo)致低靈敏度，因此

9、使用LSPR來(lái)提高SERS信號(hào)。Dai等人10使用單層碳納米管（SWNTs）來(lái)提高顯色，多個(gè)蛋白在一個(gè)微陣列中進(jìn)行檢測(cè)，如圖Figure 3所示。由于SWNT標(biāo)簽，生成強(qiáng)SERS信號(hào)，這能夠使得蛋白檢測(cè)的LOD達(dá)到1fM，由于不同的最小可變反應(yīng)二次抗體，通過(guò)使用12C和13C同位素SWNTs，SWNTs能同時(shí)檢測(cè)兩種目標(biāo)蛋白。因此，在臨床多模檢測(cè)蛋白和生物標(biāo)志物的應(yīng)用中，“多顏色”的SWNTs提供一個(gè)有效的SERS方法。Figure 3 雙層，直接，微陣列蛋白檢測(cè)，基于C12和C13的SWNTs標(biāo)簽。C12和C13的SWNTs連到GaM和GaH-IgGs上，提供人或老鼠的IgGs特異性連接。（

10、B）C12（紅色）和C13（綠色）SWNT標(biāo)簽的拉曼散射光譜。（C）C12（紅色）和C13（綠色）SWNT標(biāo)簽拉曼散射圖，能夠簡(jiǎn)單的解決此問(wèn)題，多模IgG檢測(cè)。最近，Van Dyunes等人研發(fā)了皮下在體葡萄糖檢測(cè)，設(shè)備類(lèi)似小老鼠的模型（rat models）11-13。銀薄膜表面被DT和6-巰基-1-己醇（MH）修飾后植入皮下。如圖Figure 4所示，DT/MT可以提供兩性功能，形成親水點(diǎn)，將葡萄糖固定在SERS活躍區(qū)，同時(shí)排除了血漿蛋白的干擾，這能夠引起光譜相移。該方法能夠獲得高精度檢測(cè)，尤其在低葡萄糖濃度時(shí)。并且可以在一次植入后使用較長(zhǎng)時(shí)間。該探測(cè)器可在較低葡萄糖濃度下保持有效17天（

11、12天由激光照射）。因此，基于SERS探測(cè)顯示巨大前景在可持續(xù)葡萄糖監(jiān)控中，可用于ICU病人的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。藥物示蹤和增強(qiáng)探究單分子或單納米材料的內(nèi)吞過(guò)程對(duì)于理解細(xì)胞與物質(zhì)的相互作用是重要的，并且可以用于藥物釋放和示蹤，通過(guò)對(duì)藥物釋放過(guò)程的追蹤，可以了解藥物代謝路徑，作用效果以及有效機(jī)制。Hong等人14基于等離子原理，利用碳納米管在金等離子基底上的近紅外熒光增強(qiáng)效應(yīng)。他們使用SWCNTs通過(guò)氨鍵連接RGD縮氨酸使其能夠選擇性地連接到v3-整合素，這個(gè)在U87-MG惡性膠質(zhì)瘤中過(guò)表達(dá)。如圖Figure 5所示，納米管在等離子膜和底層的Au薄膜之間，由于靠近熒光增強(qiáng)表面而顯示高熒光；一段時(shí)間后，膜內(nèi)

12、部表面的網(wǎng)格蛋白組裝和膜向內(nèi)彎曲，包裹納米管，導(dǎo)致了熒光的減弱；之后繼續(xù)進(jìn)入，最終完全脫離膜，此時(shí)增強(qiáng)效應(yīng)非常微弱，由此可以實(shí)現(xiàn)示蹤。之后該研究組又進(jìn)行了多個(gè)溫度和無(wú)網(wǎng)格蛋白的對(duì)照試驗(yàn)，內(nèi)部表面細(xì)胞攝取和跨膜顯示明顯的依賴(lài)于溫度和細(xì)胞膜上網(wǎng)格蛋白的組裝。Figure 4 （A）AgFONs由自組裝(z zhun)的納米(n m)球沉積的金屬(jnsh)構(gòu)成。AgFON被DT和MH修飾。葡萄糖在DT/MH層聚集。最終結(jié)構(gòu)在原子力顯微鏡下顯示（右上）。（B）SERS光譜用于定量檢測(cè)葡萄糖，其中I代表DT單層在AgFON基底上；II混合DT單層和葡萄糖；III剩余葡萄糖光譜通過(guò)I-II；結(jié)晶的葡萄糖

13、的常規(guī)拉曼光譜。Figure 5 細(xì)胞內(nèi)吞單納米管過(guò)程原理圖，由初始的納米管在等離子膜和底層的Au薄膜之間，最終完全脫離膜。Gary B等人15使用由多種染色劑修飾的銀納米顆粒組成的等離子納米探針通過(guò)刻蝕將細(xì)胞外部的顆粒去除，使其能夠使得進(jìn)入細(xì)胞而保護(hù)起來(lái)的納米顆粒更為清晰的顯示，可用于實(shí)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞內(nèi)吞的藥物示蹤。如圖Figure 6所示，可通過(guò)等離子增強(qiáng)的AgNPs，在細(xì)胞外部被去除，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)納米顆粒聚集成像、對(duì)顆粒進(jìn)行細(xì)胞內(nèi)示蹤、區(qū)分修飾不同染色劑的顆粒在腫瘤細(xì)胞內(nèi)的分布。A B C DFigure 6 （A）覆蓋修飾物的等離子增強(qiáng)AgNPs原理圖，被細(xì)胞內(nèi)吞的顆粒被保護(hù)，而外部的則被刻

14、蝕溶液去除掉，失去了等離子增強(qiáng)作用；（B）細(xì)胞內(nèi)顆粒聚集呈現(xiàn)黃色，外部是綠色，通過(guò)刻蝕后外部顯著減少；（C）去除多余熒光點(diǎn)后，可以清晰的對(duì)顆粒進(jìn)行細(xì)胞內(nèi)示蹤，在220ns時(shí)有明顯的融合；（D）可對(duì)修飾不同染色劑的顆粒分別顯示其在腫瘤細(xì)胞內(nèi)的分布。Ock等人16使用(shyng)無(wú)標(biāo)記SERS和活細(xì)胞(xbo)成像技術(shù)來(lái)研究嘌呤類(lèi)似物（抗白血病和抗腫瘤藥物）的釋放。如圖Figure 7所示，巰基嘌呤（例如(lr)抗白血病的6MP和抗腫瘤的6TG）初始吸附在AuNPs上，之后被谷胱甘肽（GSH）替換，導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的SERS強(qiáng)度下降，這可被用于監(jiān)控藥物從NP表面釋放的過(guò)程。之后使用三肽（甲基代替巰基）作

15、為對(duì)照組，通過(guò)觀察曲線(xiàn)，6TG的SERS特征峰強(qiáng)度在GSH-OEt注射后下降，但是對(duì)照組三肽沒(méi)有顯示出顯著的影響，可知GSH調(diào)控是該藥物的給藥機(jī)理。Figure 7 （A）GSH-調(diào)控的吸附在AuNPs上的巰嘌呤類(lèi)藥物釋放；（B）依賴(lài)GSH濃度的SERS 6MP強(qiáng)度。三肽對(duì)照組顯示在SERS強(qiáng)度上沒(méi)有變化。（C）在體6TG吸附在AuNPs上的SERS光譜在和GSH作用后以及沒(méi)有GSH時(shí)對(duì)比圖。通過(guò)使用SERS/熒光成像光譜學(xué)，單細(xì)胞抗癌藥物釋放和傳輸過(guò)程能被精確研究。圖Figure 8展示了pH控制的給藥系統(tǒng)17：阿霉素（DOX）連接AuNP通過(guò)pH敏感的腙鍵連接。當(dāng)DOX連接后，SERS可測(cè)

16、得，而沒(méi)有熒光。一旦其被細(xì)胞吞入，腙鍵會(huì)由于溶酶體的酸性pH而斷裂，藥物釋放。一旦DOX分子從AuNP上脫落，SERS顯著減少，熒光可見(jiàn)。因此，等離子增強(qiáng)拉曼信號(hào)和熒光的耦合能夠?qū)崟r(shí)追蹤DOX藥物從AuNP上釋放和后續(xù)進(jìn)入溶酶體的過(guò)程。Figure 8 （A）AuNPs使用抗癌藥阿霉素（DOX）修飾是pH敏感的氨鍵（用紅色標(biāo)注出）。（B）pH激發(fā)的藥物釋放原理圖表明SERS光譜和熒光信號(hào)從DOX分子上發(fā)出。此外也可利用等離子共振增強(qiáng)來(lái)提高藥物的治療效果。Shao等人18為了增強(qiáng)腫瘤光熱治療的效果，采用輕微膠狀聚集的納米顆粒聚合物，此時(shí)的等離子共振主要集中在紅外區(qū)域，可以使用近紅外光作為光熱治療

17、的發(fā)射光，由于組織（尤其是血細(xì)胞）對(duì)近紅外光的吸收強(qiáng)度極弱，同時(shí)聚集顆粒在此波長(zhǎng)處的吸收度要高于分散單顆粒，因此可以充分利用光提高光熱治療的效果。Ekaterina等人19使用顆粒靶向定位到腫瘤細(xì)胞形成聚合物，等離子共振的光波較長(zhǎng)，通過(guò)低能量的激光照射即可生成大尺寸的含有致死因子的等離子納米泡，隨后的爆炸除了會(huì)導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞的機(jī)械性破壞，還會(huì)釋放出致死因子使腫瘤細(xì)胞死亡，而沒(méi)有靶向聚集的顆粒則由于分散較好而共振波較短，需要較大能量才能形成氣泡，而對(duì)正常細(xì)胞產(chǎn)生較少副作用。細(xì)胞組織成像哺乳類(lèi)動(dòng)物細(xì)胞組織(zzh)SERS檢測(cè)和成像。在體檢測(cè)中使用(shyng)外部SERS標(biāo)記為了可以在復(fù)雜環(huán)境中獲

18、得突出信號(hào)，并且和特異(ty)生物分子連接。很多在生理環(huán)境中使用SERS標(biāo)記的細(xì)胞和組織檢測(cè)已經(jīng)在臨床使用。根據(jù)納米探針的生物分布，Nie等人20使用抗體連接的AuNPs的SERS信號(hào)進(jìn)行活體動(dòng)物的腫瘤檢測(cè)。NP核尺寸是60-80nm直徑，這是為了使LSPR峰值在較為清楚的范圍（630-785 nm），此時(shí)水和血紅蛋白光吸收最弱。SERS探針通過(guò)使用拉曼reporter（3，3-DTTC）來(lái)修飾，之后使用聚乙二醇（PEG）穩(wěn)定顆粒。這些SERS NPs比NIR-發(fā)射量子點(diǎn)亮200倍，靶向腫瘤位點(diǎn)皮膚下2 cm處仍能夠測(cè)量SERS光譜。單鏈抗體可變區(qū)基因片段（ScFv）連到NP上（如圖Figur

19、e 9所示），用來(lái)識(shí)別表皮生長(zhǎng)因子接收子（EGFR），這個(gè)在很多惡性腫瘤中過(guò)表達(dá)。之后生成的NPs被注入裸鼠（患有人頸脖鱗片細(xì)胞瘤（Tu686）用來(lái)在體SERS檢測(cè)。SERS光譜顯示特異的EGFR-活性腫瘤靶點(diǎn)（Figure 9B）和一些非特異性生物分布在肝中（Figure 9C）和脾中，但是沒(méi)有進(jìn)入腦，肌肉和其他主要器官。這個(gè)穩(wěn)定的、生物相容性好的、無(wú)毒的NPs提供一個(gè)重要的平臺(tái)來(lái)進(jìn)行在體腫瘤診斷和生物分布的研究。在最近研究中，NPs的SERS檢測(cè)可以達(dá)到4.5-5 cm的深度21。Figure 9 （A）在體癌癥標(biāo)志檢測(cè)使用表面-增強(qiáng)拉曼在scFv-抗體連接AuNPs識(shí)別腫瘤標(biāo)記。（B）使

20、用靶向NPs和（C）非靶向的NPs從腫瘤（紅）和肝（藍(lán)）獲得的SERS光譜。（D）相片顯示激光束打到腫瘤和肝的位置。在體SERS光譜在785nm激光被獲得。此外，SERS用來(lái)確定腦腫瘤邊界，可以使腦部手術(shù)更為有效。Gambhir等人22最近報(bào)道了三模磁共振-光聲-拉曼（MPR）成像來(lái)描繪在活的小鼠體內(nèi)腦部腫瘤的邊界。MPR的納米顆粒由60nm的金核經(jīng)過(guò)拉曼reporter分子修飾，之后又被覆蓋30nm厚的硅殼。MPR NPs被用于可視化腦部腫瘤，小鼠通過(guò)尾部靜脈注射，由于缺乏腫瘤目標(biāo)生物分子，依靠擴(kuò)散和滯留效應(yīng)在腦部腫瘤細(xì)胞累積。在體SERS成像能夠用于指導(dǎo)切除小鼠腫瘤。如圖Figure 10

21、所示，檢測(cè)腦腫瘤的截面首先根據(jù)目測(cè)去除。高分辨率術(shù)中SERS成像被記錄在每次切除步驟后并且和術(shù)中照片匹配（圖15A）。當(dāng)腫瘤通過(guò)可視化設(shè)備看上去幾乎被完全切除了，但是仍有幾個(gè)小的剩余SERS信號(hào)被發(fā)現(xiàn)在切除面上。因此MPR顆粒累積在腫瘤的SERS成像能夠檢測(cè)肉眼看不到的腫瘤信號(hào)，指導(dǎo)手術(shù)的進(jìn)行。Figure 10 使用(shyng)MPR的NPs的SERS-引導(dǎo)(yndo)的手術(shù)。（A，B）活的腫瘤小鼠經(jīng)歷(jngl)穿顱術(shù)在全身麻醉下。腫瘤連續(xù)的被切除（正如圖片上顯示的）。（A）術(shù)中的拉曼成像在每一步后都會(huì)顯示。（B）直到完全的腫瘤被切除，如可視化成像。（C）隨后的組織學(xué)分析。DNA檢測(cè)DN

22、A序列的變化可能導(dǎo)致遺傳疾病，因此檢測(cè)單核苷多態(tài)性（SNP）在疾病診斷中是重要的，此外特定的致病DNA檢測(cè)可以在未發(fā)病時(shí)預(yù)測(cè)可能的疾病，提前做好防范。基于DNA連接的外部SERS檢測(cè)方法，主要由納米顆粒、拉曼reporter和一個(gè)DNA單鏈組成，當(dāng)單鏈互補(bǔ)配對(duì)，其SERS信號(hào)能被放大。Shawn等人回顧了等離子DNA納米材料的設(shè)計(jì)，討論了DNA用于構(gòu)造有限數(shù)量的聚集體（等離子分子），空間鏈（等離子高聚物）以及擴(kuò)展到兩維和三維的陣列（等離子晶體）23。如圖Figure 11所示：（1）使用DNA構(gòu)建等離子分子：使用DNA作為配體（通過(guò)單修飾和各向異性修飾）或者作為一個(gè)空間定位修飾的納米顆粒的模版

23、。單修飾意味著一個(gè)單DNA鏈與一個(gè)等離子顆粒成1：1。（2）等離子高聚物：1維空間納米鏈，線(xiàn)性，螺旋的和分枝的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過(guò)使用DNA作為支架。例如，圓環(huán)放大（RCA）被用于生產(chǎn)長(zhǎng)的，線(xiàn)性DNA單鏈類(lèi)組裝金納米顆粒成周期的空間鏈。（3）2D等離子晶體：有序金屬顆粒2D陣列從DNA平鋪生成。（4）3D等離子晶體：DNA分子完全成功用于3D等離子顆粒晶體。僅僅通過(guò)DNA序列，納米顆粒能夠自組裝成3D晶體，晶體結(jié)構(gòu)能夠根據(jù)溫度可逆。(NAT)此外，在構(gòu)建特定的光學(xué)納米結(jié)構(gòu)時(shí)，DNA的自組裝是很好地方法，這是因?yàn)镈NA特有的屬性，如具有特定序列、可預(yù)測(cè)的結(jié)構(gòu)以及精確的分子長(zhǎng)度24。Figure 11 多

24、種DNA組裝等離子納米結(jié)構(gòu)。固有(gyu)SERS檢測(cè)(jin c)為單鏈/雙鏈DNA檢測(cè)提供一個(gè)(y )有效工具。Papadopoulou等人25通過(guò)MgSO4導(dǎo)致的AgNPs的聚集可以檢測(cè)未硫醇化的DNA。聚集使得電解質(zhì)和Ag的連接變?nèi)?，允許短的DNA序列能夠通過(guò)堿基非特異的吸附到NPs的增強(qiáng)表面。獲得的SERS光譜能夠顯示所有配對(duì)基的特征。因此，可用于研究DNA序列中腺嘌呤（A）-鳥(niǎo)嘌呤（G）和胞嘧啶（C）的突變。A/G的單核苷多態(tài)性（SNP）在25長(zhǎng)度的DNA序列中具有顯著的可重復(fù)的SERS光譜的變化。最近，通過(guò)使用血清RNA，該方法已經(jīng)被成功地用于檢測(cè)和區(qū)分腸癌和健康對(duì)照組。使用SE

25、RS光譜和很多分析相關(guān)，病人RNA信號(hào)和健康組的區(qū)別具有89.1%的診斷靈敏度和95.6%的特異性。多模SERS檢測(cè)平臺(tái)被Mirkin等人26設(shè)計(jì)，他們將多種拉曼染色過(guò)的AuNPs用于特定的目標(biāo)，8種致病DNA序列被標(biāo)記，并被成功檢測(cè)。類(lèi)似的，Graham等人27使用五種不同DNA序列，修飾到被不同熒光染色的AgNP上，這五種DNA能被肉眼區(qū)分，并且沒(méi)有任何染色標(biāo)簽間相互干擾。Kang28等人研發(fā)金納米顆粒-金納米線(xiàn)SERS探測(cè)致病DNA。納米線(xiàn)和納米顆粒間的納米尺度的距離中的熱點(diǎn)使得拉曼變得高度活躍。在此工作中，金納米線(xiàn)（大約150 nm直徑）被硫醇化序列修飾，置于硅片上。AuNPs被拉曼r

26、eporter DNA序列和拉曼染色分子修飾。如圖Figure 12所示，在初始時(shí)，序列覆蓋的納米線(xiàn)和目標(biāo)序列相連，之后和reporter DNA修飾的AuNPs相連，形成探針-靶物-reporter結(jié)構(gòu)。僅僅當(dāng)特異互補(bǔ)的目標(biāo)序列相連時(shí)，拉曼染色分子才能獲得強(qiáng)SERS信號(hào)。如圖所示，多種致病DNA檢測(cè)平臺(tái)通過(guò)修飾四種Au納米線(xiàn)連接到單硅基底，能夠正確檢測(cè)出致病DNA序列，表明了該系統(tǒng)在致病基因診斷的潛能。Figure 12 （A）代表使用金顆粒-線(xiàn)系統(tǒng)的DNA檢測(cè)的原理圖。（B）多病原體DNA檢測(cè)使用顆粒-線(xiàn)SERS探測(cè)的原理圖。四種不同金納米線(xiàn)首先被探針DNA修飾對(duì)應(yīng)四種待測(cè)物。這些金納米線(xiàn)

27、被目標(biāo)DNA雜交。Reporter DNAs 5端和金NPs在3端。Efm：腸球菌；Sau：葡萄球菌；Smal：嗜麥芽寡養(yǎng)單胞菌；Vvul：創(chuàng)傷弧菌。（C）SERS在1580 cm-1的強(qiáng)度（符合拉曼reporter），當(dāng)樣本包含兩種，三種，四種目標(biāo)DNAs，每種濃度是10-8M。這里，A=腸球菌，B=葡萄球菌，C=嗜麥芽寡養(yǎng)單胞菌，D=創(chuàng)傷弧菌。總結(jié)(zngji)與展望本文(bnwn)討論了基于LSPR和SERS的實(shí)驗(yàn)，納米探針的核心思想就是使用(shyng)修飾后的納米材料特異連接到靶向待測(cè)物上，產(chǎn)生能夠檢測(cè)到的信號(hào)變化，而使用等離子顆粒則是因?yàn)槠淦嫣氐墓鈱W(xué)性質(zhì)，可以通過(guò)貴金屬顆粒的等離子

28、特性精巧設(shè)計(jì)用于不同種類(lèi)檢測(cè)成像的多種實(shí)驗(yàn)。通過(guò)上述生物檢測(cè)研究，等離子納米材料在生物標(biāo)志物檢測(cè)、藥物系統(tǒng)示蹤、細(xì)胞組織成像和DNA檢測(cè)等方面都有顯著提高，產(chǎn)生更為明顯的信號(hào)，檢測(cè)時(shí)間縮短，擁有更低的檢測(cè)極限，因此可以看出等離子納米材料十分具有向?qū)嶋H臨床診斷過(guò)渡的潛能。但是，我們還需要做很多工作來(lái)使診斷更快，更準(zhǔn)確，代價(jià)更低，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯，可以通過(guò)肉眼進(jìn)行分辨，如果能夠?qū)?shí)驗(yàn)材料集成到一個(gè)納米探針芯片（微陣列），則更便于規(guī)模化生產(chǎn)、保存和使用。參考文獻(xiàn)：1. M. Kharasaninejad et al. Highly Enhanced Raman Scattering of Graph

29、ene using Plasmonic Nano-StructureJ. Scientific Reports, 2013, 3: 2936-2943.2. Wooyoung Hong et al. Nanoscale Label-free Bioprobes to Detect Intracellular Proteins in Single Living CellsJ. Scientific Reports, 2014, 4:6179-6184. 3. Ahmet F.Coskun et al. Lensfree optofluidic plasmonic sensor for real-

30、time and label-free monitoring of molecular binding events over a wide field-of-viewJ. Scientific Reports, 2014, 4: 6789-6798.4. Alexandre G.Brolo. Plasmonics for future biosensorsJ. Nature Photonics, 2012, 6: 709-714.5. A. V. Kabashin et al. Plasmonic nanorod metamaterials for biosensingJ. Nature M

31、aterials, 2009, 8: 867-872.6. Philip D. Howes et al. Plasmonic nanomaterials for biodiagnosticsJ. Chem.Soc.Rev., 2014, 43: 3835-3853. 7. Partha Pratim Patra et al. Plasmofluidic single-molecule surface-enhanced Raman scattering from dynamic assembly of Plasmonic nanoparticlesJ. Nature Communications

32、, 2014: 53571-53578.8. L. Rodrguez-Lorenzo et al. Plasmonic nanosensors with inverse sensitivity by means of enzyme-guided crystal growthJ. Nat.Mater., 2012, 11: 604607. 9. R. de la Rica et al. Plasmonic ELISA for the ultrasensitive detection of disease biomarkers with the naked eyeJ. Nat.Nano, 2012

33、, 7: 821824.10. Z. Chen et al. Protein microarrays with carbon nanotubes as multicolor Raman LabelsJ. Nat. Biotechnol., 2008, 26: 1285-1292.11. JEFFREY N.ANKER et al. Biosensing with plasmonic nanosensorsJ. Nat.Mater., 2008, 7: 442-454. 12. D. A. Stuart et al. In Vivo Glucose Measurement by Surface-

34、Enhanced Raman SpectroscopyJ. Anal.Chem., 2006, 78:72117215.13. K. Ma et al. In Vivo, Transcutaneous Glucose Sensing Using Surface-Enhanced Spatially Offset Raman Spectroscopy: Multiple Rats, Improved Hypoglycemic Accuracy, Low Incident Power, and Continuous Monitoring for Greater than 17 DaysJ. Ana

35、l.Chem., 2011, 83: 91469152.14. Guosong Hong et al. Three-dimensional imaging of single nanotube molecule endocytosis on plasmonic substratesJ. Nature Communications., 2012: 16981-16989.15. Gary B. Braun. Etchable plasmonic nanoparticle probes to image and quantify cellular internalizationJ. Nat Mat

36、er, 2014, 13: 904-912.16. K. Ock et al. Real-time monitoring of glutathione- triggered thiopurine anticancer drug release in live cells investigated by surface-enhanced Raman scatteringJ. Anal.Chem., 2012, 84: 21722178.17. B. Kang et al. Exploiting the Nanoparticle Plasmon Effect:Observing Drug Deli

37、very Dynamics in Single Cells via Raman/Fluorescence, Imaging SpectroscopyJ. ACS Nano, 2013, 7: 74207427.18. Jingwei Shao et al. Photothermal nanodrugs: potential of TNF-gold nanospheres for cancer theranosticsJ. Scientific Reports, 2013, 3: 1293-1302.19. Ekaterina Y Lukianova-Hleb et al. On-demand

38、intracellular amplification of chemoradiation with cancer-specific plasmonic nanobubblesJ. Nature Medicine, 2014, 20: 778-789.20. X. Qian et al. In vivo tumor targeting and spectroscopic detection with surface-enhanced Raman nanoparticle tagsJ. Nat.Biotechnol., 2008, 26:8390.21. N. Stone et al. HYPERLINK /en/Content/ArticleLanding/2011/SC/c0sc00570c Surface enhanced spatially offset Raman spect