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1、进展评述金纳米棒的表面改性及其在生物医学领域的应用杨玉东 徐菁华 杨林梅(沈阳工业大学理学院 沈阳 110870)2009204215收稿, 2009206229接受摘 要 各向异性的金纳米棒由于具有独特的光学性质,在生物医学领域得到了日益广泛的应用。本文综述了金纳米棒的表面改性及其在生物标记与识别、 生物成像、 癌症诊断和光热治疗等领域中的应用。关键词 金纳米棒 表面改性 生物医学Preparations and SurfaceM odifications of Gold Nanorodsfor Biomedical ApplicationsYang Yudong, Xu Jinghua,
2、Yang Linmei(ShenyangUniversity of Technology, Shenyang 110870)Abstract Because of its unique optical properties, the anisotropic gold nanorods have been widely used inbiomedical .The surface modifications of gold nanorods and their applications in the fields of biomedical includingbiorecognition, bi
3、ological imaging, and cancer diagnosis and photothermal therapy are summarized.Keywords Gold nanorods, Surface modification, Biomedical各向异性的金纳米棒(Gold nanorods, Au NRs) ,由于其长径比可调,具有化学和光学上的各向异性1 ,作为一类新的金纳米粒子已经引起材料科学和生命科学领域的巨大兴趣。在可见光区和近红外区,Au NRs具有横向和纵向表面等离子体共振峰(Surface Plas mon Resonance, SPR)23 ,且在近红
4、外区的等离子体表面的纵向吸收峰可实现人为调控,对光有强的吸收,以更高效率发出荧光和更强的散射光。 近红外光在生物化学和医学领域的应用中是一个强有力的工具,近红外波长范围正是生物组织具有的光学窗口。使用Au NRs和近红外光不仅能够在体外和体内两次发光成像4 ,而且近红外激光照射可以控制Au NRs与质粒DNA络合物中的质粒DNA的释放5 。另外,笔者还发现6 ,近红外激光照射可将Au NRs重新塑型到球形纳米粒子。这种光照反应对于新型的基因传递具有潜在的作用。因此,Au NRs作为细胞成像的探针、 光热治疗的载体或基因传递的功能材料是可行的7, 8 。在应用于生物化学和医学领域中时,要求包含A
5、u NRs在内的各种纳米粒子具有生物相容性和胶体稳定性。在Au NRs制备方法中,十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)不仅是支持电解质,而且还是AuNRs的稳定剂和保护剂,得到的Au NRs表面都吸附有CTAB涂层9。但是,Au NRs溶液中的CTAB具有高毒性10 ,会干扰生物过程,阻碍Au NRs与生物分子的偶联11。为了改进Au NRs的生物相容性,如何消除CTAB的影响、 实现生物修饰是Au NRs在涉及生物体系应用中需要解决的关键问题。本文重点论述Au NRs的表面修饰及其在生物医学领域中的应用,并展望了它的发展趋势和应用前景。Au NRs的表面改性有两种途径:一是表面改性材料与粒子表面
6、依靠化学键结合,这通常是指一些小分子化合物;二是用主要包括表面活性剂、 高分子材料、DNA生物分子及二氧化硅等有机或无机材料 直接包裹Au NRs。591http: / /www. hxtb. org 化学通报 2010年 第3期1 有机小分子化合物改性金纳米棒及其在生物医学领域的应用许多小分子化合物,如巯基化合物、 己二酸等,都能与Au NRs表面形成牢固的化学键。它们与AuNRs结合后形成具有良好生物相容性的金纳米棒/有机小分子复合物,在Au NRs之间产生相互排斥 力,从而使Au NRs具有稳定的分散性。通过小分子表面改性后的Au NRs再经化学或生物等方法功能 化后,可以被广泛应用于生
7、物分离、 蛋白质检测和医学成像等生物医学领域。 巯基化合物是AuNRs的强配体,对AuNRs有强的钝化作用。近些年来,人们已经尝试了利用各种含 有巯基的化合物作为配体合成Au NRs,作为配体,它可以通过调节其分子结构和烷基链长来调控Au NRs的稳定性和亲疏水性。由于巯基化合物中的巯基官能团与Au NRs有很强的相互作用,因此巯基化合物配 体保护的Au NRs在多数环境和条件下都具有很好的稳定性,这对于Au NRs在生物医学领域中的应用是 至关重要的。Irudayaraj等12 利用112 巯基十一酸(MUA)修饰3种不同比率(AR =211、415、615)的CTAB分子 稳定的Au NR
8、s的111晶面,进而偶联3种不同的抗体分子(羊抗人IgG Fab、 兔抗鼠IgG Fab、 兔抗羊IgG(H +L) )。通过检测由于免疫识别作用诱导的Au NRs的局部表面等离子共振(LSPR)产生的红 移,实现了对3种目标分子(人IgG1 Fab、 鼠IgG1 Fab、 羊IgG(H +L) )的同时检测。在Au NRs的表面 修饰和检测的过程中,Au NRs始终分散在5mmol PL的CTAB溶液中, Au NRs的稳定性大大提高了。 这种使用不同比率的Au NRs的检测方法将提供一个多元光学检测的平台,并在免疫检测和疾病治疗 方面有广泛和潜在的应用。Chilkoti等13 利用Au N
9、Rs制备的颗粒膜用于蛋白分子的检测。他们将CTAB分子稳定的Au NRs固定到巯基修饰的玻璃基片上,然后用三乙氧基巯醇(EG3SH)和巯基十六酸 (MHA)修饰基片并生物素化,得到可以用于检测链霉亲和素( streptavidin)的蛋白传感器。该方法在磷酸缓冲液中的蛋白检出限为94pmol/L,在血清( serum)中的检出限为19nmol/L。图1 在己二酸修饰下调控pH使CTAB保护的金纳米棒以侧面到侧面方式组装 15Fig. 1 Self2assembly side2to2side of gold nanorods protected by CTAB 15随后,Murphy等14 又把
10、正电荷CTAB保护的Au NRs组装到负电荷巯基己酸修饰的玻璃片上,AuNRs的沉积密度也可以调控。他们15 还发现,当把己二酸加入正电荷CTAB稳定的Au NRs溶液中,在pH低于己二酸的pKa(如pH =3)时,Au NRs没有聚集,而在pH =78,Au NRs以侧面到侧面在方式组装(图1)。这是由于己二酸脱质子化作用呈负电荷,在正电荷CTAB稳定的Au NRs之间起到一个桥梁的作用,提高了Au NRs在溶液中的稳定性。这在生物检测领域有巨大应用潜力。2 表面活性剂及聚合物改性金纳米棒及其在生物医学领域的应用表面活性剂及聚合物能够依靠化学结合或物理吸附等方法在Au NRs表面形成单层或双
11、层结构。带有功能团的表面活性剂或聚合物,可以绑定在Au NRs的表面,从而改变Au NRs的表面性质。适合691化学通报 2010年 第3期 http: / /www. hxtb. org用作包裹的聚合物有葡聚糖、 壳聚糖、 聚吡咯和聚乙醇酸类等。Hafner等16用巯基化的聚乙二醇(mPEG2SH)来部分置换Au NRs表面的CTAB,得到了mPEG2SH 和CTAB稳定的Au NRs,并利用抗体修饰Au NRs颗粒。此方法虽然可以在一定程度上降低CTAB的生物毒性并且可以实现生物分子的表面修饰,但是生物分子的偶联程序复杂、 耗时且成本昂贵。因此, 寻找能够降低CTAB生物毒性并且易于生物修
12、饰的简便、 经济的方法,仍然有很多工作要做。Durr等17应用抗体与抗原之间的特异性识别作用,使用聚苯乙烯磺酸钠和抗体(anti2EGFR)来修饰CTAB稳 定的Au NRs制备生物探针。随后用抗体修饰的Au NRs颗粒与EGFR过度表达的癌细胞发生特异性 识别而标记癌细胞,利用Au NRs的光学特性进行了癌细胞的双光子发光成像研究工作,结果表明,利用Au NRs的双光子发光成像可以深入生物组织75m;与双光子自荧光成像相比,在同等情况下,该法 的成像亮度高3倍(图2)。图2 置于盖玻片的癌细胞的双光子成像 17Fig. 2 Two2photon i mages of cancer cells
13、 placed on a coverslip from a cell suspension 17(a)未标记细胞的双光子自荧光成像; (b) Au NRs标记的细胞的双光子成像; (c)未标记细胞的双光子成像唐芳琼等18 采用壳聚糖修饰Au NRs,通过把得到的金纳米棒 2 壳聚糖复合膜用以固定葡萄糖氧化酶来构建电流型葡萄糖生物传感器。实验结果表明,金纳米棒 2 壳聚糖复合膜可以辅助电子传递,提高 电极的电流响应,并使生物传感器的使用温度范围有很大的扩展.此传感器表现出对葡萄糖溶液浓度的优良响应。该方法为构建微型葡萄糖酶生物传感器提供了可供参考的依据,可望用于生物检测领域。Niidome等19
14、 利用含有磷脂酰胆碱(PC)的氯仿溶液提取CTAB稳定的Au NRs颗粒中的CTAB,利用PC部分替换CTAB,成功地制备了具有低细胞毒性的PC钝化金纳米棒(PC2Au NRs)。经过多次提取之后,Au NRs颗粒的Zeta电位明显降低(由+67mV降到+15mV) ,说明Au NRs颗粒表面的大部分CTAB分子被PC取代,而且PC和CTAB稳定的Au NRs颗粒可以保持两周以上的稳定存在,其光学性质保持不变。PC2Au NRs被预测将会成为一种具有潜力的生物材料。但是,为了基因传递要想获得功 能性的Au NRs,就需要进一步改性,因为在生化条件下,要想保持PC2Au NRs的良好分散性而没有
15、聚集是很困难的。使用聚乙二醇进行的表面改性是一种常见的方法。Tkachenko等20 曾报道说,在生化条件下,利用牛血清白蛋白(BSA)对稳定纳米粒子是有效的。通过静电相互作用,BSA改性可以提供简单的生化稳定性。由Decher21 描述的通过静电相互作用的层 2 层技术(LBL)可以使大量的各种功能材料的沉积控制到纳米尺度。此前, Gole等22曾报道说,这项技术对改变Au NRs的表面性质是有用的。在这篇报道中,层 2 层技术被应用于使用BSA和聚乙烯亚胺(PEI)对PC2Au NRs进行改进,这种PC2Au NRs的表面 改性将其胶体稳定性转移给培养细胞并且可以使用来自PC2Au NRs
16、的散射光使细胞成像。Niidome等23使用LBL技术通过BSA和PEI对PC2Au NRs进行修饰。从吸收光谱和Zeta电位测量中明显地显示其Au NRs被这些聚合物包覆而没有聚集。通过吸收光谱证实,在生化条件下用BSA 改性的Au NRs表面(BSA2Au NRs)分布非常均匀,没有聚集现象。进一步使用PEI改性后, PEI2Au NRs呈现正电性。PEI2PC2Au NRs的TEM图像显示表面改性并不影响改变原始Au NRs的形状。此外, PEI2Au NRs仍保留BSA2Au NRs在生化条件下的胶体稳定性。他们还对PEI2Au NRs与HeLa细胞的转染 行为进行了评价,利用金纳米棒的散射光可以得到金纳米棒的细胞摄取中的细胞图像。791http: / /www. hxtb. org 化学通报 2010年 第3期2008年, Schifferli等2
