生物纳米探针简介

《生物纳米探针简介》由会员分享，可在线阅读，更多相关《生物纳米探针简介（10页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、生物纳米探针简介生物纳米探针简介 杨帆* 郭芷萱 郭洋 维基百科中介绍1，纳米颗粒通常指三位尺度都在 100nm 以内的颗粒。纳米晶体是纳 米颗粒的一种，而与之相应的英文词“nanocrystal”则已经被 EPIL 公司注册为商标。其实 纳米颗粒有悠久的历史。人们发现早在 9 世纪的工艺品中，就了有银、铜纳米颗粒的应用。 当前，研究者们认为纳米颗粒在生物医学、光学、电子学等领域具有广泛应用潜力，进而在 这方面的作了比较多的研究。在美国，还有专门为纳米颗粒研究而投入的社会基金（由 National Nanotechnology Initiative 提供） 。 纳米颗粒因具有一些不同于宏观物质

2、的特性，而受到了科学工作者的留意。研究者们 观测到了一些和尺寸相关的物理性质，例如半导体纳米颗粒的量子束缚。 半导体纳米颗粒是纳米颗粒的一种，当其足够小（通常小于 10nm）时，电子能级会 量子化。这时，它们也被称为“量子点” 。这类纳米颗粒在生物医学中已有了初步应用，例 如药物运送、在体成像等。 同时， 纳米颗粒对环境及健康的影响也在研究中。 由于纳米颗粒的高表面积体积比值， 它们如果具有与某些物质反应的特性， 那么反应可能会非常活波。 它们还可能穿入细胞膜进 入细胞，与细胞内的物质进行一些可能存在而目前人们尚未知晓的反应。目前，FDA 和一 些其他相关机构已经开始了关于纳米颗粒对环境及人类

3、健康影响的研究。 在生物医学领域，应用的纳米颗粒主要有量子点、胶体金、磁纳米颗粒等。本文将分 别对上述三种材料做一简略介绍。 *作者信息：杨帆，05 医学实验，90513113，负责写作量子点介绍部分的初稿； 郭芷萱，05 医学实验，90513124，负责写作胶体金介绍部分的初稿； 郭洋，05 医学实验，90413126，负责写作磁纳米颗粒介绍部分的初稿。 杨帆在自己的初稿的基础上，粗略整合了郭芷萱、郭洋的初稿，写成了作业的第二稿，即本文。整合的过程，基本保留了每篇原稿的风格与内容。由于时间的关系，整合工作主要是在全文或每篇原稿的开头写一些介绍性质或衔接过渡的段落。 量子点量子点2 维基百科中

4、介绍3，量子点是激子在空间三个维度上都被束缚，性质介于宏观半导体 物质与分散单分子之间的半导体纳米颗粒。在胶体环境中，人们可以合成多种量子点，包括 CdSe, CdS, InAs, InP 等。 如果直径在 2-10nm 左右 （约相当于 10-50 个原子排成一排的长度） ， 一个量子点内总共包含的原子数目约为 100 到 100,000 个。胶体合成法相对简单、便宜、低 毒害。利用这种方法，人们可以大量制备量子点。另外，一些量子点也可以用电化学的方法 来合成。有一些量子点被包埋在另一种具有相对较大能隙的物质中，形成核壳结构，例如 CdSe-ZnS 核壳结构（在 300K 时，CdSe 和

5、ZnS 能隙分别为 1.73eV 和 3.6eV） 。 量子点的一大光学特性是其颜色会随颗粒大小而变化，同种物质，颗粒大小不同，其 发光颜色也不同。颗粒越大，其发射光子的能量越低，颜色越红，反之亦然。这是由于量子 点的能隙与其颗粒大小的平方反相关， 即较大的量子点具有更多空间排布更紧密的能级， 而 这就允许其吸收能量更低的光子，即谱线更靠近红色区域的光子。除了颜色，量子点的发光1 寿命可能也和其颗粒大小相关，颗粒越大，寿命相对越长。而颗粒形状对量子点发光及寿命 的影响，目前尚未清晰。 量子点由于其相对的高量子产率， 在光学领域有重要应用； 因其颗粒大小的可调节性， 量子点在许多应用中都展现了优

6、势。 在生物医学研究中， 各种经典的有机染料随着科学工作 者越来越高的要求， 已经日益难以满足期望， 而这时量子点渐渐开始了弥补这些传统染料的 不足。与传统有机染料相比，量子点染色更亮、更持久。量子点的染色稳定性使得分子或细 胞的在体实时监测、 成像成为可能。 研究者在小鼠淋巴结中观测到量子点的时间甚至可以超 过 4 个月。量子点的在体实时成像可以让人们观测到单个细胞的迁移，而这对胚胎形成、癌 症转移、干细胞治疗、淋巴免疫等研究都有重要意义。 Marcel Bruchez, Shimon Weiss, A. Paul Alivisatos等研究者4在1998年发表的文章中写 道，在生物医学成像

7、与诊断中，被用来作荧光探针的量子点，与传统的荧光染料相比，拥有 一个更窄的、可调节的、对称的发射光谱，宽广的、连续的激发光谱，而且它染色的化学稳 定性更强（见图1、图2） 。他们在鼠3T3成纤维细胞上的单激发、双发射量子点标记实验， 证明了量子点的上述部分优点。 图14. (A) 颗粒大小及材料依赖的包有表面活性剂的各种量子点的激发光谱示意图。蓝色的峰系从右至左分别表示直径2.1nm, 2.4nm, 3.1nm, 3.6nm, 4.6nm的CdSe量子点的激发光谱；绿色峰系从右至左依次表示直径为3.0nm, 3.5nm, 4.6nm的InP量子点的激发光谱；而红色峰系从右至左则分别表示直径为2

8、.8nm, 3.6nm, 4.6nm, 6.0nm的InAs量子点的激发光谱。 (B) 实际情况下，用紫外灯照射缓冲水溶液中一系列硅包裹的核（CdSe）-壳(ZnS或CdS)结构量子点探针，它们全部同时发为光。 见原文。 图24. 荧光素-鬼笔环肽与红色量子点标记肌动蛋白的染色稳定性对比。每隔很短一段时间，检测一次荧光强度。随着检测次数的增加，荧光素-鬼笔环肽标记肌动蛋白的荧光强度迅速降至较低水平，而红色量子点标记肌动蛋白的荧光强度则下降缓慢。具体信息请参Shuming Nie等研究者5在1998年发表的文章中写道，共价键合生物分子的高亮度量子 点（CdSe-Zns）可以用来做生物检测。与有机

9、染料，如罗丹红，相比，量子点探针的亮度是 后者的20倍，稳定性是后者的100倍，而发射峰宽仅为后者的1/3。 这些经过修饰的量子点2 溶于水且有生物亲和力。标记转铁蛋白的量子点可以经受体介导的内吞作用进入HeLa细胞， 且经免疫分子标记的量子点可以识别特异的抗原或抗体。 Leland W K Chung, Shuming Nie等6于2004年发表文章介绍了关于多功能量子点在在 体肿瘤追踪、成像方面的研究进展。他们及其他的研究小组发现，在体液环境中，量子点表 面的配基和包被结构会缓慢变性，导致量子点表面缺陷及荧光淬灭。因此，他们在研究中， 使用了一种在体高度稳定的双亲性高分子量三段式多聚物包裹

10、的TOPO-量子点（见图3）。 在双亲性多聚物的外端，可以通过羧基连接多个功能集团，这使得量子点探针的特异性、亲 和力及敏感性都有提高。同时，这种量子点在颗粒大小上也很适合在体研究。它们比一些生 物有机分子大， 这使得它们在血液或组织中停留的时间与后者相比大大增加。 一些蛋白染料 结合物不到1min就会被血液清除，而上述量子点在血液中保持的时间可长达48到72小时。 另外，上述量子点又不是太大，它们完全可以和细胞表面的受体结合，或通过胞吞、蛋白搬 运的作用进入细胞，甚至通过核孔进入细胞核。 图36.多功能量子点探针结构示意图。CdSe-ZnS量子点被TOPO包被，后者与双亲性高分子量三段式多聚

11、物的疏水端结合，而三段式多聚物的亲水端则可以与多个功能集团（如PEG, 抗体、小分子药物、抑制剂或其他肽段等）共价结合，使量子点具有多重功能。具体信息请参见原文。 瘤组织。 上述研究者通过对人类前列腺癌细胞鼠移植的在体研究，提出三段式多聚物包裹 TOPO-量子点可以通过主动、被动两种模式靶向定位肿瘤细胞（见图4）。通过量子点标记 的肿瘤细胞皮下注射，多功能量子点探针系统注射，特殊波长分辨成像，他们获得了在体肿 瘤细胞信号探测灵敏的多色荧光图像（见图5）。 图46. 量子点定位肿瘤细胞示意图。左图为被动模式，PEG键合的量子点通过肿瘤周围血管内皮细胞增大的裂隙（即通透性），进入并滞留、积聚在肿瘤

12、部位；右图为主动模式，PEG及抗体同时标记的量子点通过与肿瘤表面特异性抗原的高亲和力结合靶向定位肿3 图56. 信号灵敏的、多色荧光同时显示的量子点在体成像。(a a)图中，右上图是量子点标记的肿瘤细胞，右下图是绿色荧光蛋白标记的肿瘤细胞，它们离体时的亮度是相当的。分别经身体右、左两侧，大约各1000个量子点标记的肿瘤细胞及绿色荧光蛋白标记的肿瘤细胞被注射入小鼠。如左图所示，只有量子点的荧光被检测出来，而绿色荧光蛋白的荧光则未能从身体的自发荧光中凸显出来（鼠身体左侧圆圈标示绿色荧光蛋白标记肿瘤细胞的注射部位）。(b b)图中，右上、中、下图分别显示发射绿光、黄光及红光的量子点。每种颜色的量子点

13、，大约各1-2百万个，分别在三个不同的区域经皮下注射进入小鼠体内。如左图所示，在单种激发光源的照射下，由于宽广的激发谱，三种颜色的量子点探针可以同时发光。具体信息请参见原文。 上述研究者写道，由于近红外光对组织的穿透能力更强，运用近红外量子点可以加深 探针进入组织的深度，并提高显像灵敏性。他们预测，量子点可以通过与定位、治疗、显像 试剂整合，在癌症、心血管系统斑块、神经系统退行性病变等疾病的非侵入性成像、诊断及 治疗中，发挥重要作用。 图67. 量子点在生物医学检测、成像中的应用。 随着时间的推移， 研究的不断拓宽及深 入，量子点的应用将变 得越来越丰富且成熟。 X. Michalet, F.

14、 F. Pinaud, S. Weiss等研究者在 2005年发表文章写道7， 在过去的20年间，量子 点的研究从电子材料领 域到生物医学应用，有 了很大进步。近来研究 中应用量子点的实例包 括甘氨酸受体在神经元 中扩散的观察、手术中 近红外量子点标显淋巴 结的在体识别等。新一 代量子点在细胞内单分子水平变化、高分辨率细胞成像、细胞转运或迁徙的长期在体观察、4 肿瘤定位及诊断等研究中，还有很大潜能。量子点不会取代已经高度发展的荧光技术，而是 会在需要更好的发光稳定性、 近红外显像或长时间单分子灵敏探测的研究中， 成为经典技术 的有效补充。无疑，科学研究者将会继续这方面的研究，并试图发现目前尚未

15、预见到的应用 方向。关于量子点的应用，如图6所示。 与此同时， 量子点的在体毒性是另一个值得讨论的课题3。 比如裸 CdSe 量子点在紫外 照射下可能会被光解，产生并释放有毒的镉离子。另外，尽管有外层结构的保护，但人们对 于有外层结构保护的量子点从细胞及组织中的排泄过程还不是很清楚。在应用于临床检测、 治疗之前，上述及其他相关问题必须要得到充分的研究与解答。 胶体金胶体金8 维基百科中介绍9， “胶体金”又称为“纳米金” ，是在液体（通常指水）中的悬浮或 呈胶体状态的颗粒大小位于毫米水平以下的金颗粒。 胶体金也可以通指上述金颗粒与其周围 液体所组成的胶体系统。当胶体金的颗粒小于 100nm 时

16、，它表现的颜色是红色，而当胶体 金的颗粒较大时，它表现为黄色。胶体金颗粒的形状多种多样，常见的形状有球形、杆状、 立方体状、帽形等。在很早的时候，胶体金就已经被人们所知晓，当时，人们用胶体金来进 行镜子着色。近代对胶体金的研究，则始于 19 世纪 50 年代 Michael Faraday 的工作。由于 独特的光学、电学及分子识别方面的性质，胶体金在电子学、纳米科技、新材料合成等众多 领域中被广泛研究、应用。通常，人们用还原氯金酸，HAuCl4，的方法制备胶体金。当然， 存在更高级的方法。当 HAuCl4溶解时，边快速搅拌，边加入还原剂，这样，Au3+就可以 被还原为金原子。当越来越多的金原子形成时，溶液变得过饱和，金原子逐渐析出、聚集， 形成纳米级的颗粒。如果搅拌得足够快，这些纳米颗粒几乎可以保持同样大小。为了防止纳 米金颗粒凝集， 通常还要加一些表面稳定剂， 而这些表面稳定剂可以是具有和特定有机物配 基结合能力的功能集团。 胶体金近年来已被应用于医学和生物学的众多领域，如应用于原位杂交的检