金属纳米颗粒在生物医学中应用.pdf

金属纳米颗粒在生物医学中的应用金属纳米颗粒在生物医学中的应用 主要内容主要内容 • 金属纳米颗粒的合成和修饰 • 生物分子检测和临床诊断 • 生物医学成像 • 治疗应用 金纳米颗粒的合成 • 金纳米颗粒的合成 – 金纳米球 – 金纳米棒 – 金纳米壳 金纳米球的合成 清朝珐琅彩双耳瓶 教堂的彩色玻璃 Lycurgus Cup In British museum 4th century AD 纳米金的基本概念纳米金的基本概念 • 纳米金纳米金： 直径为1～100nm，一般为分散在 水中的水溶胶，故又称胶体金胶体金，也称金溶金溶 胶胶 • 纳米金颗粒的基础金核并非是理想的圆球 核，较小的纳米金颗粒基本是圆球形的， 较大的纳米金颗粒（一般指大于30nm以上 的）多呈椭圆形 5 纳米金球（胶体金）的合成及光学性质纳米金球（胶体金）的合成及光学性质 • 化学还原法 【基本原理】在氯金酸水溶液中加入一定量的 还原剂，使金离子还原为金原子在适当条 件下，还原的金原子凝聚成一定大小的金颗 粒，形成金溶胶 【常用还原剂】柠檬酸钠、鞣酸、白磷等 柠檬酸钠还原制备的金颗粒直径较大，15~150nm 白磷还原制备的金颗粒直径较小，3~12nm 8 柠檬酸钠还原法合成金纳米颗粒柠檬酸钠还原法合成金纳米颗粒 不同粒径球形纳米金颗粒的不同粒径球形纳米金颗粒的TEMTEM 10 nm 15 nm 50 nm 9 光与纳米金的相互作用光与纳米金的相互作用 10 纳米金的独特光学性能纳米金的独特光学性能 • 局域表面等离子体共振局域表面等离子体共振(Local Surface Plasma Resonance, LSPR)：当光照射到纳米金颗粒上时，光与纳米金粒子 会发生相互作用。

当入射光的频率和纳米金的电子云振荡频率相等时，就会产生共振，这就是LSPR • SPR可用吸收光谱表征粒径小于2nm的纳米粒子和块 状金都没有SPR 11 • SPR吸收峰的位置随着纳米金颗粒的大小、 形状、周围介质及所吸附物质的不同而改变 12 • 纳米金颗粒表面带有负电荷，在溶液中稳定存在，而当外 界条件改变时，例如降低温度，或向其中加入电解质溶液， 均可导致粒子之间发生聚集，从而使其表面等离子共振吸 收带发生红移溶液颜色也随着聚集程度的加强，而逐渐 由红色变成蓝色 13 纳米金的颜色随其粒径变化纳米金的颜色随其粒径变化 14 金纳米棒的合成 • 晶种生长法 金纳米棒的光学性质 金纳米壳的制备及光学性质 空心金纳米球的制备及光学性质 金纳米颗粒的表面功能化修饰及生物分子偶联 • 适配体(Aptamer)是通过指数富集配基的系 统进化技术(SELEX)体外筛选得到的一组能 与靶分子高亲和、高特异性结合的寡核苷 酸序列(单链 DNA 或 RNA) • 适配体与靶分子之间分子识别功能与抗体 极为相似，但与蛋白质类抗体相比, 适配体 与靶分子间具有更高亲和力和特异性, 甚至 可区分识别靶分子结构上的细微差异。

• 适配体在蛋白质及小分子检测、细胞成像 及分子识别等生物分析领域具有广阔的应 用 基于金纳米颗粒的比色分析 Detection limit of current AuNP-based colorimetric assays,without signal amplification steps, is in the range of nM to uM Interparticle Crosslinking Aggregation Typical biological recognition events include DNA hybridization, aptamer–target interactions, anti-body–antigen interactions, streptavidin–biotin interactions, lectin sugar interactions, and metal–ligand coordination. Noncrosslinking Aggregation DNA液相比色法检测液相比色法检测 Elghanian, R.; Storhoff, J. J.; Mucic, R. C.; Letsinger, R. L.;Mirkin, C. A. Science 1997, 277, 1078. 检出限: 5nM-50pM 30 比色法检测比色法检测Con A 比色法检测凝血酶比色法检测凝血酶 血小板生长因子(PDGF)比色法检测 检测葡萄糖(1) 检测葡萄糖(2) 检测腺苷 SNPs检测 微球比色分析 纳米金用于纳米金用于ELISA检测检测 纳米金结合银染增强比色法 ScanometricDNA array detection with nanoparticleprobes Mirkin CA Science 289: (5485) 1757-1760, 2000 检出限: 100 aM，比比色法 提高5个数量级 40 630 nm 测吸光度 层析比色分析 测试线测试线 （（T线）线） 控制线（控制线（C线）线） 胶体金垫胶体金垫 吸水滤纸吸水滤纸 样品垫样品垫 NC膜（硝酸纤维素膜）膜（硝酸纤维素膜） 层析方向层析方向 PVC底板底板 有有4 4个组分：⑴、吸水纸（样品垫）。

⑵、玻璃纤维膜个组分：⑴、吸水纸（样品垫）⑵、玻璃纤维膜（（胶体金垫胶体金垫）膜上吸附膜上吸附 着干燥的金标抗体（流动带）⑶、硝酸纤维素膜，膜上包被着抗原或抗体条着干燥的金标抗体（流动带）⑶、硝酸纤维素膜，膜上包被着抗原或抗体条 带和能与标记物直接起反应的质控物条带（检测带）⑷、吸水纸以上各组带和能与标记物直接起反应的质控物条带（检测带）⑷、吸水纸以上各组 份首尾互相衔接份首尾互相衔接 原理：将已知的特异性抗原或抗体固定于硝酸纤维素膜上某一区带作为 检测带，在样品区滴加样品后，借助毛细作用，样品泳动至玻璃纤维膜， 金标复合物溶解，并与样品进行抗原抗体反应，形成复合物，继续泳动 至硝酸纤维素膜的检测区，带有金标记的复合物被检测区抗原或抗体捕 获，呈现红色条带如样品中没有待测抗原或抗体，则不发生结合，即 不显色在硝酸纤维素膜检测区附近一般再固定上针对金标结合物相应 的抗原或抗体作为质控带，无论样品中有无待测物，质控线都应显示， 如无，则检测失败整个过程一般在15分钟内完成，操作简单、快速， 且不需任何仪器 纳米金的荧光分析法 • 荧光共振能量转移荧光共振能量转移(FRET)：指一个荧光团(供体， donor)的发射光谱与另一荧光团(受体, acceptor) 的激发谱有重叠(>30%),并且这两种荧光团相互 靠到足够近的时候(<10 nm)，供体被激发后发 射的部分能量将会转移给受体，从而受体被激 发发光。

其直观表现为供体的荧光强度将比单 独存在时低很多，而受体的荧光强度将要比单独存在时高很多 纳米金结合银染增强纳米金结合银染增强- -化学发光分析法化学发光分析法 纳米金的电（化）学分析法 纳米金结合银染增强纳米金结合银染增强- -电学分析法电学分析法 51 纳米金结合银染增强纳米金结合银染增强- -化学分析法化学分析法 基于光散射的分析 光散射法（光散射法（1 1）） 光散射法（2） 表面增强拉曼散射(SERS) • SERS是指当一些分子被吸附到某些粗糙的金属 (如银、铜、金等)表面上时，它们的拉曼散射 强度会增加104~106倍 • 纳米粒子的大小、形状以及表面的形貌都会对 SERS 的增强效果产生极大的影响 • SERS 光谱具有谱带窄、选择性好、灵敏度高、 抗光漂白、不受生物样品自发荧光和水的干扰、 快速、原位、实时和无损等众多优点，在生物 医学分析和疾病诊断中具有广阔的应用前景 SERS检测核酸 举例 SERS用于免疫分析 SERS用于癌细胞检测 例1 SERS for Detection of Circulating Tumor Cells in Human Peripheral Blood • Circulating tumor cells (CTC) are a hallmark of invasive cancer cells, which are responsible for the development of metastasis. • Detecting rare CTCs in complex blood samples is a major challenge, requiring an exceptionally specific and sensitive assay for discerning and capturing CTCs with high efficiency. • At present, immunomagnetic separation is approved by FDA , howerer, this method often leads to a high false-positive rate. • SERS: no need preseparation of cells and interferences are low compared with fluorescence method. LOD: 5-50 cells 例2In vivo tumor targeting and spectroscopic detection Nanoparticle bioconjugate Nanoparticle clusters: size increase Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y and Protein analyte Gold nanoparticle-antibody conjugates Assay Procedure Add sample Incubate Measure by DLS Before Assay Distribution 50 100 Average particle Size (nm) After Assay Nanoparticle clusters February 2010 Copyright of Nano Discovery, Inc. 基于动态光散射基于动态光散射(DLS)的生物分析的生物分析 纳米金的生物条码（Biobarcode）检测 • 检测蛋白质（肿瘤标志物） • 检测核酸 检测蛋白质 1.在纳米金表面修饰针能结合待测 物质的的另一种生物分子和起信号 放大作用的条形码DNA制备成纳米 金探针; 2.在磁珠微粒表面修饰能结合待测 物质（核酸或蛋白质）单克隆抗体 或核酸制备成磁珠探针 3.当有检测目标存在时，磁珠探针， 检测物质，纳米金探针三者结合形 成三明治结构。

4.通过磁场作用收集三明治结构， 然后通过热变性，将纳米金探针上 的条形码DNA释放，将其进行聚合 酶链式反应 (PCR)扩增或不扩增， 与标记在芯片上及纳米金上的互补 核酸链结合，然后通过银染间接检 测待测物含量 检测核酸 几种方法检测限的比较 纳米金在生物医学成像中的应用 • 暗场光散射成像 • 双光子荧光成像(TPL) • 光相干层析成像(OCT) • CT成像 • 光声成像(PAT) 暗场光散射成像 OCT成像 双光子荧光成像(TPL) • TPL兼具近红外激发、暗场成像、无荧光漂 白和高空间分辨率及降低组织自发荧光干 扰等特点 • 纳米金颗粒，如纳米金棒是优良的TPL成像 探针 光声成像(PAT) • 光声成像利用生物组织吸收脉冲激光的能量后 产生热膨胀，伴随热膨胀会产生超声波不同 组织产生不同强度的超声波，通过采集超声波 信号来区分正常组织和。