基于納米金粒子的高靈敏度生物傳感器應(yīng)用

周沁宇 李雨桓 黃英才 劉崇敏

摘 要：電化學(xué)生物傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，涉及環(huán)境監(jiān)測(cè)、生命科學(xué)、藥物篩選等行業(yè)。其包含的納米金作為一種重要的金屬，具有出色的物理和化學(xué)特性，并已被應(yīng)用于電化學(xué)、催化、生物傳感和DNA（脫氧核糖核酸）檢測(cè)領(lǐng)域，從而解決行業(yè)內(nèi)樣品前處理復(fù)雜且耗時(shí)長(zhǎng)、檢測(cè)結(jié)果誤差等問題。巨大的潛力證實(shí)其應(yīng)用前景廣闊，特別是當(dāng)其結(jié)合用于制備納米溶膠的新技術(shù)時(shí)，簡(jiǎn)單、快速和靈敏的結(jié)果提升了現(xiàn)代定量分析平臺(tái)的精確度與應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：納米金;靈敏;傳感器

中圖分類號(hào)：TP212.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）09-0066-03

Abstract： The application fields of electrochemical biosensors are extremely wide， involving industries such as environmental monitoring， life sciences， and drug screening. As an important metal， the nano-gold contained in it has excellent physical and chemical properties and has been used in the fields of electrochemistry， catalysis， biosensing and DNA detection， so as to solve the problems of complicated and time-consuming sample pre-processing in the industry， and error in test results. The huge potential proves its broad application prospects， especially when it is combined with new technologies for preparing nanosols， the simple， fast and sensitive results enhance the accuracy and application effects of modern quantitative analysis platforms.

Keywords： nano gold;sensitive;sensor

納米金一類的貴金屬納米材料憑借表面等離子共振（SPR）效應(yīng)表現(xiàn)出獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)[1]，它已經(jīng)成為納米傳感、分析分離等領(lǐng)域的前端技術(shù)研究熱點(diǎn)。本課題組長(zhǎng)期致力于納米金膠體的簡(jiǎn)便檢測(cè)應(yīng)用并申請(qǐng)過相關(guān)基金和大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（202010596011;202110596032），筆者也是該創(chuàng)新項(xiàng)目的成員，與其他學(xué)生組員一起在試驗(yàn)中檢測(cè)離子濃度和核酸，并學(xué)習(xí)Image、SPSS、Origin等關(guān)鍵計(jì)算機(jī)技術(shù)軟件。當(dāng)前，有必要總結(jié)前人的研究成果，思考如何提升納米金修飾的傳感器在實(shí)際環(huán)境檢測(cè)中的應(yīng)用價(jià)值與商業(yè)價(jià)值，最終提出前瞻性的研究方向。局部表面等離子共振是指當(dāng)光線入射到由貴金屬構(gòu)成的納米顆粒上時(shí)，如果入射光子頻率與貴金屬納米顆?；蚪饘賯鲗?dǎo)電子的整體振動(dòng)頻率相匹配，納米顆粒或金屬會(huì)對(duì)光子能量產(chǎn)生很強(qiáng)的吸收作用，就會(huì)發(fā)生局域表面等離子體共振現(xiàn)象[2]。一般使用檸檬酸作為還原劑制備敏感且可重現(xiàn)的納米金溶膠底物，基于納米金的生物相容性和共振散射效應(yīng)，人們?cè)O(shè)計(jì)出靈敏度較高的免疫納米金和適配體納米金共振散射光譜分析法。因此，本文分析了基于納米金粒子的高靈敏度生物傳感器應(yīng)用。

1 環(huán)境監(jiān)測(cè)的應(yīng)用

1.1 重金屬離子和揮發(fā)物檢測(cè)

工業(yè)革命以來，人類的工業(yè)活動(dòng)日益頻繁，在推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)，也不可避免地帶來環(huán)境污染問題。水是人類文明延續(xù)的源泉，但是水體重金屬污染長(zhǎng)期以來是最重要的污染問題之一，重金屬離子（如Cu2+、Hg2+、Ag+）會(huì)導(dǎo)致人體的慢性或者急性中毒[2]，可能會(huì)損害腎臟等各種器官和免疫系統(tǒng)，引發(fā)各類疑難雜癥，嚴(yán)重危害人體健康。目前有許多檢測(cè)重金屬離子的方法，如原子吸收法、發(fā)射法、光譜學(xué)觀測(cè)法以及近年來興起的熒光分析法、UV-Vis光譜分析法和電化學(xué)傳感器檢測(cè)法[3]。

低成本、高靈敏度、選擇性好、即時(shí)性的檢測(cè)技術(shù)備受人們的青睞，而貴金屬納米顆粒（GNP）因其優(yōu)異的理化性能引起學(xué)者的極大關(guān)注，被應(yīng)用于設(shè)計(jì)各種性能理想的比色傳感系統(tǒng)。硝基苯酚已被美國國家環(huán)境保護(hù)局（US EPA）列為有毒物質(zhì)，它很容易通過皮膚和黏膜吸收，是潛在的誘變劑、致畸物和致癌物，因此，硝基苯酚監(jiān)測(cè)對(duì)于控制環(huán)境污染來說至關(guān)重要。2019年，有學(xué)者將重金屬離子添加到納米金膠體溶液中，使用激光筆照射后，溶液發(fā)生丁達(dá)爾效應(yīng)，隨后用智能手機(jī)拍照（見圖1），通過Image軟件分析灰度，描繪出代表離子濃度的變化曲線[4]。

1.2 環(huán)境毒理檢測(cè)

重金屬是重要的水體污染源，同時(shí)各種藥物廢水正威脅水環(huán)境，如諾氟沙星、乙酰水楊酸和咖啡因等[5]。以個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品（PPCP）殘留物為例，其會(huì)從痕量水中富集于水生植物體內(nèi)并干擾生物體的內(nèi)分泌系統(tǒng)。更為重要的是，這類物質(zhì)可能通過食物鏈富集對(duì)人體健康造成不小的危害[6]。因此，人們要對(duì)水環(huán)境中存在的PPCP進(jìn)行定量分析，構(gòu)思安全、靈敏和快速的方法。而實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的方法包括電感耦合一類的離子體質(zhì)譜法、熒光光譜法（碳點(diǎn)）、吸收光譜法（利用金納米顆粒作為比色探針）、電化學(xué)傳感器檢測(cè)法等[2]。

目前，行業(yè)內(nèi)大多使用金納米顆粒（GNP），不僅吸收系數(shù)高，體表面積大，生物相容性符合實(shí)際環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)，還擁有獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)[1]，例如，它擁有表面等離子共振功能——處于液相時(shí)，聚集態(tài)和分散態(tài)相互轉(zhuǎn)換，測(cè)量者可直接通過肉眼觀察溶液色彩的變化[3]，GNP的比色響應(yīng)亦是如此，能夠優(yōu)化（或者取消）前期的修飾步驟，大幅節(jié)約成本和時(shí)間。有學(xué)者[7]利用比色法，發(fā)明一種基于智能手機(jī)和比色適體納米傳感器的簡(jiǎn)單、敏感的便攜式Hg2+檢測(cè)系統(tǒng)，智能手機(jī)配備了光米應(yīng)用程序，以此記錄和處理來自智能手機(jī)微孔讀取器的數(shù)據(jù)。

2 生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)用

2.1 PAC標(biāo)志物檢測(cè)

以胰腺癌（PAC）為例，它是一種可對(duì)人體造成致命傷害的癌癥，因此，它的預(yù)防與檢測(cè)顯得極為重要。若在癌變?cè)缙诎l(fā)現(xiàn)并進(jìn)行相關(guān)醫(yī)學(xué)診治，則可大大降低疾病致死率，提高患者的生存年限與概率。作為唯一的常用生物標(biāo)志物，碳水化合物抗原19-9（CA19-9）[8]具有敏感性、診斷特異性穩(wěn)定且精準(zhǔn)性高等特點(diǎn)，屬于目前醫(yī)學(xué)檢測(cè)的常規(guī)手段，但酶聯(lián)免疫分析（ELISA）中的放射免疫分析也存在缺陷：樣品響應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)，成本高，結(jié)果假陽性比例大，因此常被人詬病。而金納米顆粒（GNP）則可以補(bǔ)充這方面的缺點(diǎn)，有學(xué)者[9]使用人類胰腺腫瘤細(xì)胞系PANC1-CSTE及其原位腫瘤模型、納米簇AuS-U11進(jìn)行治療，證明了腫瘤組織有效靶向，酶促釋放PDT（光動(dòng)力療法）前藥和內(nèi)窺鏡檢查5-ALA的三重組合引導(dǎo)的PDT/PTT（光熱治療）治療，可以實(shí)現(xiàn)胰腺癌的最佳治療效果，而且副作用最小。

2.2 TNBC的檢測(cè)與治療

三陰性乳腺癌（TNBC）以雌激素受體、孕激素受體和HER2蛋白的陰性表達(dá)為特征，是一種侵襲性、頑固性乳腺癌亞型，同時(shí)表現(xiàn)出高惡性。截至目前，化學(xué)療法是人類常用的唯一治療方法，但其副作用較大，如對(duì)正常細(xì)胞與組織的侵害、在腫瘤組織中的低積累、后期導(dǎo)致的底物特異性差和不可避免的癌細(xì)胞耐藥性[10]。隨后，有學(xué)者[11]提出了一種新型的針對(duì)PTT的微波觸發(fā)熱休克蛋白（HSP）靶向金納米系統(tǒng)，該系統(tǒng)專門針對(duì)TNBC進(jìn)行檢測(cè)與治療，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)腫瘤細(xì)胞受到微波熱療非致命性熱刺激的威脅時(shí)，腫瘤細(xì)胞中的熱休克反應(yīng)可以激活HSP的豐富表達(dá)，該蛋白隨后可被抗HSP的單克隆抗體HSP70識(shí)別，最后，HSP-AuNC在腫瘤中的更高積累可以大大提高PTT的療效，這為TNBC提供了新的研究視角，也為其他類腫瘤的研究提供了依據(jù)。

2.3 外泌體的檢測(cè)與治療

外泌體是哺乳動(dòng)物細(xì)胞主動(dòng)分泌的膜結(jié)合磷脂納米囊泡，外泌體長(zhǎng)期以來一直備受行業(yè)關(guān)注，外泌體分泌于癌癥期，其蘊(yùn)含有關(guān)親本腫瘤的生物信息，也是病況嚴(yán)重程度的一種重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。超速離心是臨床檢測(cè)的技術(shù)手段之一，缺點(diǎn)為耗時(shí)長(zhǎng)，而常規(guī)檢測(cè)需要大量樣品和諸多標(biāo)記過程，傳統(tǒng)的外泌體分析方法常常苛求大通量或外泌體濃度低的試驗(yàn)，由此激發(fā)人們探索新的方法與制造新的測(cè)量工具，以便在不對(duì)腫瘤進(jìn)行活檢的情況下采集到親本腫瘤的生物信息。目前，行業(yè)內(nèi)出現(xiàn)一種理想的傳感方案——等離激元納米[11]，其探測(cè)深度低于百級(jí)納米，可以很容易地與外來體大小相匹配，從而提高檢測(cè)靈敏度，并且傳輸設(shè)置允許系統(tǒng)小型化以及緊密包裝的傳感陣列構(gòu)造，具體來說，其為一種納米等離子體外來體傳感器，實(shí)質(zhì)上是一種改良型芯片，擁有金屬膜中圖案化的周期性納米孔陣列，每個(gè)陣列都對(duì)應(yīng)不同種類的外泌體蛋白質(zhì)標(biāo)記的親和配體。傳感器通過靶標(biāo)特異性外泌體結(jié)合，可顯示與靶標(biāo)標(biāo)記蛋白水平成正比的光譜移動(dòng)或強(qiáng)度變化。與傳統(tǒng)方法相比，此技術(shù)可提供高度靈敏且無標(biāo)記的外泌體分析，而且能夠進(jìn)行連續(xù)和實(shí)時(shí)的分子結(jié)合監(jiān)測(cè)。

3 結(jié)論

未來，納米金傳感系統(tǒng)的構(gòu)造會(huì)更加趨于簡(jiǎn)單化，其檢測(cè)的靈敏度和選擇性會(huì)更加符合實(shí)際環(huán)境的需要，它不僅擁有在常規(guī)環(huán)境中檢驗(yàn)水樣中Hg2+、Cu2+和Ag+的巨大潛力，而且更為便捷實(shí)用。當(dāng)然，傳感器便攜化也是時(shí)代發(fā)展趨勢(shì)，可以給予未來分析行業(yè)更多的便利和平臺(tái)。緊隨21世紀(jì)信息革命的浪潮，人們可以將該技術(shù)與AI芯片相結(jié)合，開發(fā)出一整套所需檢驗(yàn)物取樣少、快速檢測(cè)、便捷便利、成本不高的綜合診斷與管理系統(tǒng)，彰顯出本身的商業(yè)價(jià)值。其作為近代新興的分析領(lǐng)域，因其發(fā)展速度迅猛和不可估量的經(jīng)濟(jì)效益，極為可能地成為未來重點(diǎn)研究的領(lǐng)域和熱門課題。當(dāng)然，納米等離子傳感器的前景也不可忽略，因?yàn)橥饷隗w可用于癌癥診斷。盡管外泌體的檢測(cè)和分子譜分析在技術(shù)上具有挑戰(zhàn)性，通常需要大量的樣品純化和標(biāo)記，但是外泌體檢測(cè)技術(shù)極具發(fā)展?jié)摿?。這一直激發(fā)著人們探索新穎的一種無標(biāo)記、高通量的外泌體定量分析方法，它可以結(jié)合周期性納米孔陣列的透射表面等離子體共振，將陣列都用抗體功能化，用于分析外泌體表面蛋白和存在于外泌體裂解物中的蛋白。同時(shí)，這種分析方法可以與小型光學(xué)器件集成，實(shí)現(xiàn)便攜式操作，它可能會(huì)比以前的方法具有更高的靈敏度，使得研究進(jìn)展更加順利。

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