纳米探针与诊断技术课件

1、 纳米探针与诊断技术卫生部肝胆肠外科研究中心 王自明 纳米探针的概念 纳米探针是一种能探测单个活细胞的新型超微生物传感器.探头尺寸仅为纳米量级(1-100nm)。作为生物传感技术领域迅猛发展起来的一项新型传感器,具有体积小、能在细胞内实时测量、对细胞无损伤或微损伤等诸多特点，是研究单细胞最基本的技术。在生物、医学、环境监测等多种领域得到广泛应用。一、生物传感器1、概念： 生物传感器是以生物学组件为功能性识别元件,识别和感知目的被测量并将其按一定规律转换为可识别信号的器件或装置。是用生物活性材料（酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜等）与物理化学换能器有机结合的一门交叉学科,也是物质分子水平的

2、快速、微量分析方法。(biosensor) 2、组 成： 1、感受器： 分子识别元件， 由具有分子识别能力的生物活性物质构成; 2、换能器： 电化学或光学转换元件。 二者组合在一起，用现代微电子和自动化仪表技术进行生物信号的再加工，构成各种可以使用的生物传感器分析装置、仪器和系统。 3、特 点： （1）选择性好，专一性强；（只对特定的底物起反应,而且不受颜色、浊度的影响。） （2）灵敏度高，分析速度快；（可以在一分钟得到结果。） （3）样品需要量少，准确度高；（一般相对误差可以达到1） （4）操作系统比较简单 ；（容易实现微型化及自动分析） （5）成本低；（在连续使用时，每例测定仅需要几分钱人

3、民币。）4、分 类：（1）按照其感受器中所采用的生命物质可分为：DNA传感器免疫传感器酶传感器细胞传感器微生物传感器等等（2）按照生物敏感物质相互作用的类型可分为：亲和型代谢型 （3）按照传感器器件检测的原理分类： 认为生物传感器是基于电化学或光学传感的原理,原则上可分为： 电化学式：包括电位式、电流式、电导式； 光学式：包括吸光式、反光式、发光式。二、纳米技术与生物传感器 纳米技术(nanometer technology）是用单个原子、分子制造物质的科学技术。其主要针对1100之间的尺寸,该尺寸处在原子、分子为代表的微观世界和宏观物体交界的过渡区域,这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏

4、观系统,突出表现为表面效应、体积效应、量子效应和宏观量子隧道效应四大效应. 纳米材料从根本上改变了材料的结构,被公认为是21世纪最具有前途的科研领域，是国际生物技术领域的前沿和热点问题,在医药卫生,食品生产和监控,环境监测等领域有着广泛的应用和明确的产业化前景。 近年来,纳米技术逐步进入生物传感器领域,引发突破性的进展,在疾病的诊断、治疗和卫生保健方面发挥重要作用。一）纳米颗粒与生物传感器 1、纳米颗粒标记 磁性纳米颗粒可标记识别因子,其与肿瘤表面的靶标识别器结合后,可在体外测定磁性颗粒在体内的分布和位置,从而对肿瘤的定位。 纳米金对许多生物人分子都有很强的吸附作用,且吸附后不会使生物分子变性

5、,当其与抗体结合后便可用来检测抗原；DNA经硫醇化后可固定于纳米金上，一个颗粒最多可结合几百个DNA分子,将其浸入溶液中便可捕获待测液中的靶 DNA 。 2、纳米颗粒用作固定载体 纳米粒子具有高比表面积,用于生物分子的固定,可以增加固定的分子数量,从而增强反应信号。 Singh等人用solgel方法合成硅纳米颗粒,其直径为20或200，该纳米颗粒用于固定乙酰胆碱脂酶,构建有机磷农药生物传感器，具有较高的比表活性,结合离子敏场效应管检测,响应迅速(10),灵敏度高,对Para Oxon杀虫剂的检测下限可达110-6mol/3、智能纳米颗粒 通过掺杂丁二炔单体进入两亲性的磷脂纳米颗粒小体,在紫外照

6、射下聚合,形成稳定的微组装结构。在聚丁二炔的头端修饰上具有特异识别功能的生物分子,在溶液状态下,待测分子的结合拉动聚丁二炔纳米颗粒的结构变化,从而产生肉眼可见的蓝-红颜色变化,结合紫外检测,结果更为灵敏,该方法有可能发展成一种简单、方便的新型智能生物传感器。二）多孔纳米结构与生物传感器 1、纳米微管用于生物分子的固定 如：聚吡咯纳米微管固定法： Miao等利用化学或电化学方法使吡咯单体在模板孔隙中生长,以得到与模板相应结构的纳米管。这种微管具有统一直径,上下连通,管壁多孔的特点。它具有较大的比表面积,能容纳大量的酶分子,并减少反应物和产物的扩散障碍,有效地提高酶电极的性能。 2、纳米多孔硅薄膜

7、 对单晶硅进行电化学腐蚀可以得到具有纳米孔径的多孔硅,这种材料具有室温可见发光和高比表面积(5002/3)特性, 增加了可固定敏感分子的数量,从而提高了灵敏度。 在多孔硅的表面固定抗体或者等敏感分子,通过检测光干涉和折射率的变化,从而构建了一种新型的免疫标记生物传感器,用于 的检测,灵敏度可达194.2/。三）纳米器件与生物传感器 1、纳米电线 Rakitin等人的研究发现锌、镍、钴等离子能够并入的双螺旋的中心,在高值等基本条件下,可以稳定含有金属离子的状态,获得了导电的电线。并且,此类金属化的仍然保持选择性结合其它分子的能力。利用该特点,可以开发遗传畸变探测生物传感器。2、手持式纳米生物传感

8、器 （悉尼海湾的一粒方塘） 澳大利亚有限公司悉尼实验室研制出一种手持式纳米生物传感器，通过模拟细胞膜,形成具有开关功能的离子通道,当敏感膜与样本中的受体结合,引起离子通道的关闭,从而影响导电性能。这种纳米检测仪非常灵敏,可检测分子的下限相当于悉尼海湾里溶解的一粒方糖。其用途非常广泛,一个拇指甲大小的传感器能在几分钟内,可从病人的体液中确认病因。3、纳米微悬梁生物传感器 公司和瑞典Basel大学的研究人员开发一种新型的纳米微悬梁生物传感器,利用分子的双螺旋机构,作为分子特异性识别能力的模型。 器件的核心是硅悬梁天平阵列,长500,宽100,厚度为1。由于生物分子的结合,从而引起悬梁臂的弯曲,通过

9、激光反射技术,该器件能够检测到1020的弯曲。在悬梁天平阵列表面固定具有不同识别性的分子,构成阵列式生物传感器,可以同时检测多项指标。三、半导体量子点荧光探针 是基于半导体量子点(quantum dots , QD)发展起来的生物亲和性多功能纳米荧光探针.具有独特的光学性质，能在活体内或活细胞生理条件下对多种活细胞和活细胞内多种生物分子“编码”标记后，同时进行多组分、多色彩的实时动态研究，在医学研究和诊断技术的开发中有广阔的应用前景。一）基本组成结构及光学特征1、组成结构： 半导体量子点或称为半导体纳米微晶体(scmiconductor nanocrystal )，它是由一族元素(如CdSe,

10、CdS等)或一V族元素(如InP, InAs)组成的尺寸小于1OOnm的半导体纳米微晶体。 当这些半导体纳米微晶体的直径小于其玻尔直径( lOnm)时，这些半导体纳米微晶体由于受到量子尺寸效应和介电限域效应的影响，表现出其独特的光学特征。2、光学特性 激发光波长范围宽且连续分布，而发射波长的范围窄且呈对称分布，斯托克斯位移大，不同半导体材料的量子点或同一材料不同粒径大小的量子点在同一光源照射下发射出不同颜色的光. 具有严格的量子尺寸效应，通过改变量子点粒径大小可获得从紫外到近红外范围(即从蓝色到红色波长范围)内任意点的光谱。 量子点的这些光特征十分适合于医学研究中常常需要在活细胞体系或活体内同

11、时实时监测多种细胞间的相互作用或细胞在受到某种内外刺激时其细胞内多种生物分子的变化情况。 半导体量子点荧光量子产率高，发光度强，光化学稳定性好，不易被光解或漂白。 核一壳结构的半导体量子点的发光强度比目前用的有机荧光染料分子强20倍，光化学稳定性则提高了100倍以上，这有利于对标记物进行长时间的观察研究。 二）生理条件下在恶性肿瘤中的研究 目前通过在量子点表面包覆一层亲水性的物质或在其表面修饰上亲水性的官能基团，使半导体量子点具有水溶性和生物相容性，同时利用量子点表面亲水性包覆层或修饰的亲水性官能团，通过静电引力、化学键结合、抗原抗体结合、受体配体结合和生物素结合等方法实现量子点荧光探针与靶细

12、胞或细胞内研究的对象生物分子特异性地结合。1、对肿瘤细胞同时进行多通道、长时间的观察 Wu等用链酶亲合素(streptavidin)与不同粒径的量子点连接，制备了量子点一链酶亲合荧光探针(QDs-streptavidin )，分别连接抗体和生物素，通过抗原一抗体结合法和生物素法分别同时特异性地标记乳腺癌细胞膜上Her2受体蛋白、细胞质中微管蛋白和细胞核中核抗原蛋白，在同一光源照射下，观察到不同颜色、极易区别的荧光，达到了对活细胞内多种蛋白分子的直接“阅读”。 Jaswal等用两种方法分别对HeLa细胞用量子点标记，首先用二氢叶酸包裹量子点，然后通过内吞作用将量子点标记在HeLa细胞的囊泡内，标

13、记的量子点第12天仍稳定存在于细胞中;另外通过量子点与生物素连接而成的量子点一生物素(QDs-avidin )荧光探针，对表面生物素化的HeLa细胞膜进行特异性的标记，结果表明:标记的半导体量子点在活细胞内能连续承受激发光(5Omw,488nm laser)照射14小时而荧光强度不发生明显的减退，在12天后细胞内仍能检测到可见荧光。2、对生物分子的运动、分布及信号传导的研究 Lidke等用量子点联合荧光蛋白技术对人表皮癌细胞A431的HER家族erbB介导的信号传导进行可视化的研究.他们先将人表皮癌细胞A431的erbBl ,erbB2分别与绿色荧光蛋白和黄色荧光蛋白融合，得到稳定的表达后，将

14、量子点与表皮生长因子(EGF)连接而成量子点一表皮生长因子荧光探针( QDs-EGF)，直接可视化观察了QDs-EGI与erbB受体的相互作用以及这些信号分子受刺激后它们的运动情况。3、非侵入性活体成像 Kim等用量子点荧光探针研究乳腺癌的前哨淋巴结.用磷酸氢包裹发射波长为840一860nm的量子点，然后将量子点分别通过小鼠模型的足垫皮内和猪模型的股部皮内注射，通过活体成像在体外可分别清楚显示距皮肤1 cm下的腹股沟和腋下前哨淋巴结以及周围的淋巴管道，并经手术切除后组织学证实该方法的特异性，达到了体外对前哨淋巴结“光学活检”的目的。三）CdTe量子点荧光探针的研制 自2019年开始本中心纳米实

15、验室开展水相合成CdTe量子点及其应用的相关研究,2019年两位生物医学工程硕士学位研究生在毕业论文答辩中报告了CdTe量子点在生物标记、基因转染和肿瘤光动力学治疗方面的研究成果，得到答辩委员会各为专家的高度评价。水相合成CdTe量子点荧光探针简介主要材料水相合成CdTe量子点荧光探针简介主要材料实验方法水相合成CdTe量子点荧光探针简介水相合成CdTe量子点荧光探针简介实验方法水相合成CdTe量子点荧光探针简介实验方法（四）量子点偶联蛋白水相合成CdTe量子点荧光探针简介实验方法实验结果水相合成CdTe量子点荧光探针简介实验结果水相合成CdTe量子点荧光探针简介四、纳米磷光探针的制备及 特征

16、 纳米磷光探针是将磷光染料包埋或键合在生物兼容性好的惰性基质中，利用微注射、基因枪轰击、脂质体转移等方法将其转入细胞中，从而对细胞内的特定物质进行检测。 同荧光相比，磷光具有较大的Stokes位移、与激发光谱重叠少，寿命长等特点，因此其具有更好的选择性。一）纳米磷光探针的制备试剂：1一溴一2一甲基萘(ACROS，ORGANICS)；甲基丙烯酸(ACROS，ORGANICS)；硫酸铜(北京化学试剂三厂，分析纯)；烯丙基溴 (ACROS，ORGANICS)；十二烷基硫酸钠(天津市博迪化工有限公司，分析纯)；氯化汞(北京化工厂，分析纯)；氯化钡，氯化钙，氯化钴，硫酸锌，氯化镍等纳米磷光探针的制备仪

17、器：荧光光谱仪(Cary Eclipse，Vafian)，Jy92一超声波细胞粉碎机(宁波新芝生物科技股份有限公司)；TEM电子透射扫描仪(HITACHIH一600)；透析袋(上海生工，SP133116)；TU一1901紫外一可见吸收光谱仪(北京普析通用公司)。纳米磷光探针的制备制备方法：1、 2 g镁粉和7 mL的烯丙基溴反应制得Grignard试剂。2、用1-溴-2-甲基萘同N-溴代丁二酰亚胺反应得到1-溴-2-溴甲基萘(BBN)。3、取l-溴-2-溴甲基萘1045 g，与 Grignard试剂反应，得到1-溴-2-(3-丁烯基)萘 4、硅胶柱进一步纯化，再用乙醇配成0107 molL溶液

18、。取甲基丙烯酸与适量十二烷基硫酸钠，二次水定容至40 mL。在超声下搅拌 。 纳米磷光探针的制备结 果： 磷光纳米探针颗粒平均尺寸为(4010)nm，分布在30-50 nm之间的数量占到85 。 二）纳米磷光探针的特征分析纳米磷光探针的磷光光谱： 在波长为288nm光激发下磷光发射带峰值为532 nm，在不通氮除氧的条件下磷光强度为149。在通入N 的条件下可以得到强度为633的磷光. 纳米磷光探针的特征分析溶剂极性对探针磷光的影响三种溶剂对纳米探针磷光强度影响所对应的猝灭方程分别为：Ya=-0.487 +6O.2；yb=-0.709x+6O.5；yc=-0.767 + 58.8(探针在极性强

19、的溶液中稳定性更好 )纳米磷光探针的特征分析磷光探针对铜离子的传感 浓度在1.010 1.010-4 molL范围内，纳米探针的磷光强度逐渐衰减.Stern-Volmer猝灭常数Ksv=2.48lOs 纳米磷光探针的特征各种金属离子对纳米探针的磷光强度影响 金属离子在1.0101.010-3molL范围内，纳米探针的磷光强度变化很小，但随Hg2 浓度的增加，纳米探针的磷光增强 三）、结论: 在优选的条件下合成的生物兼容性的聚甲基丙烯酸基纳米磷光探针具有很好的水溶性，在非除氧条件下，产生较强的磷光发射信号。 1.0 x 10 molL的铜离子对磷光信号具有较好的选择性猝灭作用，可用于生物条件下的

20、铜离子传感。五、光纤纳米探针 光纤传感器是当分子识别元件与底物(待测物)特异结合后,产生可以输出的特征光学信号(荧光、颜色变化等),从而分析检测待测物的传感器。运用纳米光纤探针和纳米级的识别元件可检测微环境中的生物、化学物质，能够监测微环境(如:细胞、亚细胞结构)中各成分浓度的渐变以及其在空间的不均一性。 其主要包括光纤荧光生物传感器、光纤免疫传感器、 分子信标传感器 、无转换器的细胞内生物传感器等。一）光纤纳米荧光传感器 工作原理： 在光纤头部固定荧光剂,荧光剂与质子发生可逆反应时,引起试剂相光学性质的变化,光变信号由光纤传输,测定荧光强度的变化,以检测定底物浓度或PH值。制作方法：1）将光

21、纤用光纤拉制仪制成头部直径为1001000的光纤探针；2）用真空蒸发器在光纤表面镀上铝；3）将暴露的光纤头部硅烷化。4）在光纤头部结合上一种选择性荧光染料聚合物；5）传感器性能检测(包括检测范围、响应时间、使用寿命、稳定性等)。特 性： 该纳米传感器响应时间为300,比传统的光纤传感器响应时间缩短1%以上,浓度检测下限低于传统传感器六个数量级。这些特性使之适宜于对单个细胞和亚细胞结构的检测。 等人构建了一种胶体金纳米传感器。制作该传感器包括拉制光纤、硅烷化、胶体金附着、蛋白结合、荧光标记等。该传感器头部直径为200,包被了特异性结合的亚铁细胞色素和相应的荧光染料。实验者以此传感器检测小鼠巨噬细

22、胞内水平,检出限为201,响应时间为0.5。二）光纤纳米免疫传感器 光学免疫传感器是将光学与光子学技术应用于免疫法,利用抗原抗体特异性结合的性质,将感受到的抗原量或抗体量转换成可用光学输出信号的一类传感器.这类传感器将传统的免疫测试法与光学、生物传感技术的优点集为一身,使其鉴定物质具有很高的特异性、敏感性和稳定性。 光纤纳米免疫传感器是在其基础上将敏感部制成纳米级,既保留了光学免疫传感器的诸多优点,又使之能适用于单个细胞的测量。 等人成功地研制出一种用于检测的光纤纳米免疫传感器,传感器头部的生物探针上结合了特异性单克隆抗体,通过抗原抗体特异性结合,能够检测单个细胞内的生物化学物质。制作方法：

23、首先,用光纤拉制仪将石英光纤拉得极为细小(10100)的探针,; 然后将光纤头部硅烷化, 为抗体产生黏附位点，将特异性识别并结合的抗体结合到光纤头部; 随后将光纤全长(结合了特异性抗体的光纤头部除外)镀银以防止光漏出。 在专用于单细胞操作的显微操纵仪/显微注射器上进行细胞穿刺及检测实验，用细胞培养箱使操纵台温度保持在实验细胞所需的37,使用光电倍增管记录与抗体结合后产生的荧光。该传感器的最低检出限是10-21。 检 测 方 法： 特 点： 1）能进行定量检测； 2）能实时监测抗原抗体反应,无需进行分离步骤,便于抗原抗体反应的动力学分析； 3）具有更高的特异性；由于抗原抗体反应是高度特异性的,从

24、而减少了环境中的非特异性干扰； 4）能用于检测传统光学免疫传感器无法检测的细胞内物质。三）分子信标生物传感器 原 理： 将一短核苷酸序列端点标记可发荧光的试剂,当此结构与配对的短核苷酸序列结合时,则能量转移而产生特征光学信号,通过光检测探头传递至光检测器构成传感器。 这类传感器中较为典型的是光纤生物传感器。它是将杂交分子中的探针标记物经生化反应产生的特征光学信号,通过光纤经光检测器检测,从而测定出杂交分子(含目的基因的量）。 其优点是检测杂交反应后产生的特征光信号,选择性强,易于排除杂交过程中非特异性吸附的干扰,测定准确;因不采用放射性同位素标记,安全性好。 Liu等 将生物素化的DNA分子信标固定在光纤表面，制成了渐消逝波激发的DNA分子信标生物传感器。采用光纤针尖端固定分子信标直接激发，利用增强型电感耦合器(ICCD)获得的光纤针尖图像，可以监测杂交的动力学过程。用这种灵敏的传感器制备的传感器阵列，可以对溶液中的多种DNA进行同时分析检测 Perlette等 也利用微注射法引入分子信标，对单个活细胞中的RNA进行了检测，并利用ICCD成像系统得到了一系列反应分子信标与RNA结合的荧光图像，结果表明，利用分子信标可以有效地实时检测活细胞中的RNA及研究RNADNA的杂交过程。方晓红研究的生物传感器 方晓红