第2章+纳米生物技术前沿-2

1、第第2章章 纳米生物技术前沿纳米生物技术前沿-22010-04-012.2.3 纳米通道技术（Nanopore）n纳米通道技术是一种直接解读核酸分子编码信息的新方法，它通过将单链核酸上的核苷酸序列直接转化为电信号，能以每秒超过1000个碱基的速度对其进行超快速序列分析。n简便、快速和廉价n还在病原体基因诊断、单核苷酸多态性和样品多成分的快速检测等多个领域有重要用途DNA的结构的结构Adenine （A）腺嘌呤）腺嘌呤 Thymine （T）胸腺嘧啶）胸腺嘧啶Guanine（G）鸟嘌呤）鸟嘌呤 Cytosine （C）胞嘧啶）胞嘧啶n纳米通道纳米通道是指由七聚体的-溶血素（ - hemolysi

2、ne, - HL）在双层脂膜上形成的直径约115216 nm的跨膜通道。它能允许通过离子、水和其他的低分子质量物质，从本质上说是一种离子通道。-hemolysin pore(2nm diameter)- Nanopore in membrane - DNA in buffer- Voltage clamp- Measure currentG. Church, D. Branton, J. Golovchenko, HarvardD. Deamer, UC Santa CruzOpen nanoporeDNA translocation eventWhen there is no DNA tra

3、nslocation, there is a background ionic currentWhen DNA goes through the pore, there is a drop in the background signalThe goal is to correlate the extent and duration of the drop in the signal to the individual nucleotidesSource: Viktor StolcResearchers use nanopore channels to precisely detect DNA

4、 nResearchers at Purdues Birck Nanotechnology Center have shown how nanopore channels can be used to rapidly and precisely detect specific sequences of DNA as a potential tool for genomic applications in medicine, environmental monitoring and homeland security. April 5, 2007 Solid-state nanopore cha

5、nnels with DNA selectivity Samir M. Iqbal, Demir Akin & Rashid BashirnSolid-state nanopores have emerged as possible candidates for next-generation DNA sequencing devices. In such a device, the DNA sequence would be determined by measuring how the forces on the DNA molecules, and also the ion cu

6、rrents through the nanopore, change as the molecules pass through the nanopore. Unlike their biological counterparts, solid-state nanopores have the advantage that they can withstand a wide range of analyte solutions and environments. Here we report solid-state nanopore channels that are selective t

7、owards single-stranded DNA (ssDNA). Nanopores functionalized with a probe of hair-pin loop DNA can, under an applied electrical field, selectively transport short lengths of target ssDNA that are complementary to the probe. Even a single base mismatch between the probe and the target results in long

8、er translocation pulses and a significantly reduced number of translocation events. Our single-molecule measurements allow us to measure separately the molecular flux and the pulse duration, providing a tool to gain fundamental insight into the channelmolecule interactions. The results can be explai

9、ned in the conceptual framework of diffusive molecular transport with particlechannel interactions.Nature Nanotechnology 2, 243 - 248 (2007) 3. 纳米通道技术的应用前景纳米通道技术的应用前景n核酸分子超高速测序n单核苷酸多态性（Single nucleotide polymorphism，SNP）检测n单核苷酸多态性是DNA序列中常见的序列变化，是造成个体之间遗传差异的原因之一。n许多SNP具有重要的临床意义，如肿瘤、哮喘、肥胖、糖尿病等都与SNP有关。

10、n多成分的快速检测n破译遗传信息2.2.4 磁共振波谱及成像技术在纳米尺度物质生物效应研究中的应用Ernst（瑞士）1991年诺贝尔化学奖将傅里叶变换引入NMR波谱与成像，并实现和发展了多维NMR波谱技术Wthrich（瑞士）2002年诺贝尔化学奖利用多维NMR波谱技术测定溶液中蛋白质结构1. 概述概述1. 概述概述2003年诺贝尔生理学或医学奖授予美国科学家保罗劳特布尔（Lauterbur）和英国科学家彼得曼斯菲尔德(Mansfield)，以表彰他们在核磁共振成像技术领域的突破性成就。n磁共振成像（MRI）定义：利用人体内固有的原子核，在外加磁场作用下产生共振现象，吸收能量并释放MR信号，将

11、其采集并作为成像源，经计算机处理，形成人体MR图像。1. 概述概述n磁共振（Nuclear magnetic resonance, NMR）的特点：n无损（noninvasive）检测，其检测过程不会对被检测的样品或对象产生损害；n具有多功能性和可变通性（versatility and flexibility），即对于同一研究对象，不同的磁共振技术可用来获得不同层次、不同类别的信息。n例如，运用不同的方法，MRI可分别用于观测脑的解剖结构、脑的新陈代谢过程、脑功能以及脑中分子水平上的生物物理与生物化学过程。正常颅脑MR表现2. 纳米尺度物质在生物组织及个体内的纳米尺度物质在生物组织及个体内的M

12、RI检测与分析检测与分析n纳米尺度物质的生物效应与颗粒物有关的流行病学调查结果表明，城市居民的发病率和死亡率与其生活环境里的微米、纳纳米颗粒米颗粒的浓度和尺寸有密切关系。n如何原位、动态、高灵敏度地检测进入生物活体中的纳米尺度物质，是研究纳米生物效应所要求的。n放射性同位素（放射性同位素（14C、131I和和99Tc等）标记等）标记n不能进行活体、原位检测；标记可能因新陈代谢而脱落；空间分辨率和组织分辨率低，难以区分血液和组织中的标记物等n磁共振成像技术（磁共振成像技术（MRI）n具有可对活体进行无损、实时、动态检测，空间分辨率高，组织对比度好，功能强等特性n临床诊断和基础研究n新型磁共振成像

13、造影剂n含顺磁性金属离子（过渡元素和镧系金属离子）的纳米结构n如金属内包含富勒烯等n基于超顺磁性金属氧化物微粒的造影剂nFe2O3、Fe3O4n金属富勒烯是将金属原子包在富勒烯里而生成的一种新型分子，其球体外壳完全由碳原子组成。n以顺磁性金属富勒烯为探针，MRI可用来检测富勒烯类的纳米结构在生物体内的分布与代谢过程。n多羟基金属富勒烯（GdC82(OH)n, n40）在小鼠体内的分布n金属富勒烯主要分布于网状内皮组织丰富的器官，如肺、肝、脾等n羟基修饰的金属富勒烯主要造成肾脏增强，不在肝脏聚积，注射1 h后通过膀胱排出体外n富勒烯在 体内的分布主要取决于其表面修饰基团的性质，其他性质（如富勒烯

14、的大小、电子结构、是否内包金属原子、内包金属原子的种类，甚至表面修饰基团的个数等）对于其生物分布状态的影响不大。nSIPO造影剂的特性：n超顺磁性n良好的生物相容性n强可塑性n氧化铁纳米颗粒在生物体内的分布及其药代动力学过程取决于颗粒的尺寸大小、表面包裹物和后修饰材料的性质。3. 纳米尺度物质与生物大分子相互作用的磁共振波谱研究n目前研究生物大分子结构与功能的方法主要有两种：nX射线晶体衍射n高分辨磁共振波谱n适用于测定溶液状态下的生物大分子的三维结构；n可研究蛋白质与配体分子（如纳米颗粒）间的强、弱及极弱相互作用；n可用于研究蛋白质分子的动力学特性及其与功能的关系。4. 纳米尺度物质生物效应

15、的磁共振代谢组学研究n代谢组学（Metabonomics/metabolomics）是利用动态和多参数定量分析方法，研究在病理生理刺激或遗传变异条件下生物系代谢水平的响应和变化。代谢组学研究中常用的分析方法是磁共振波谱与质谱。n磁共振波谱技术研究代谢组学：n可研究各种类型的样品，包括细胞、细胞/组织的提取液、完整生物组织、体液等n能够在不改变样品的生理状态的条件下对样品的组成进行全面的分析n具有定性和定量的功能n易分析谷氨酸棒杆菌产生谷氨酸、谷氨酰胺、精氨酸、谷氨酸棒杆菌产生谷氨酸、谷氨酰胺、精氨酸、脯氨酸脯氨酸代谢网络图2.2.5 电化学表面等离子体共振技术n表面等离子体共振（Surface

16、 plasmon resonance, SPR）是一种敏感的表面分析技术，它是通过分子吸附在重金属膜上引起介电常数的变化来进行检测。nSPR的特点：较高灵敏度、安全、可远距离监测及对检测物无破坏等。nSPR技术已广泛应用于气相传感、生物传感、分子间（尤其是生物分子间）的相互作用研究等领域。n使用脂质体、胶乳粒子和某些蛋白质作为放大标记物，可以提高SPR检测灵敏度。n金属纳米晶由于具有易于制备、密度高、介电常数大及良好的生物相容性等特点，已被广泛用于增强SPR响应。nSPR 是两相界面的一种电荷密度波，它对两相界面(金属/电介质) 的性质变化非常敏感；而电化学反应是一个涉及到表面、界面的氧化/还

17、原过程，电化学方法能够检测电极界面电化学参数的变化；用于产生表面等离子体共振的金属膜(Au 膜或Ag 膜)是电化学研究中一种常用的工作电极。因此，将SPR 与电化学方法结合起来，研究电化学界面过程是一项很有意义的工作。nESPR基本原理基本原理n当一束平面单色偏振光透过玻璃或石英基底照射到镀在基底表面的金属薄膜上时，若入射角在某一适当范围内，则在基底/金属膜界面处将发生全内反射。但由于金属本身的复介电性，导致该入射光将部分渗入金属内部形成消失波，该波的电场强度将随指数规律衰减，在可见光范围内，消失波的有效深度一般为100 200 nm 。另一方面，在金属膜层表面存在大量自由电子构成的电子团作垂

18、直于表面的振动，由于受到表面的限制，会在金属表面形成伴随电子疏密的纵波即等离子体波。它也是一种随表面深度、振幅按指数函数减弱的衰减波。当等离子体波的波矢、振动频率与消失波的波矢、振动频率相同时,消失波将会和金属表面的等离子体波产生共振，即在金属/待测液体的界面上产生表面等离子体共振。此时，光线提供的能量导致金属膜表面电子发生共振，电子吸收该能量使被反射光的强度达到最小，这种最小化发生时的入射光角度称为SPR共振角。由于待测溶液的介电常数与其组成有关，若溶液发生改变，则共振角明显变化，所以通过SPR谱（反射光强度与入射光的关系），即可非常灵敏地对样品进行定性、定量分析。等离子表面共振技术示意图等

19、离子表面共振技术示意图n通常情况下，电化学反应大都是一种界面反应，反应物在电极/溶液或电极/修饰层/溶液的界面中得失电子。在电化学/表面等离子体共振仪器中，玻璃或石英基底上的金薄膜(厚度一般为50 nm) 既被用做产生表面等离子体共振的介质，又可作为电化学测试的工作电极。发生电化学反应时，电极/溶液界面内发生的任何性质的变化都会引起SPR 共振角(折射率) 发生变化，这就是电化学/表面等离子体共振技术的基本原理.n采用ESPR 技术能够监测生物分子在电极表面的吸附行为，研究其电化学氧化/还原过程，并以此构建ESPR 生物传感器.nDNA检测、DNA阵列分析、寡核苷酸超灵敏检测等n随着纳米科技的兴起，采用纳米材料固定生物分子以构建ESPR 生物传感器成为ESPR 的一个热门研究。2.2.6 表面增强拉曼散射光谱2.2.6 表面增强拉曼散射光谱（Surface Enhanced Raman Spectroscopy, SERS）n拉曼光谱(RS)技术是以拉曼效应为基础建立起来的以光子作探针、具有实时检测特点的分子结构表征技术，而表面增强拉曼散射(SERS)更由于其高探测灵敏度、高分辨率、水干扰小、可猝灭荧光、稳定性好及适合研究界面等特点，被广泛应用于表面研究、