生物醫(yī)學(xué)傳感納米生物傳感器

1、11:12:47,1,納米生物傳感器 （Nanobiosensors）,一、背 景,二、納米材料介紹,三、納米生物傳感器,11:12:47,2,Company Logo,納米技術(shù)和生物技術(shù)是21世紀(jì)的兩大領(lǐng)先技術(shù) 納米生物傳感技術(shù)成為一種新興產(chǎn)業(yè)。 納米尺寸既非典型的微觀系統(tǒng)亦非典型的宏觀系統(tǒng)，因此有著獨特的化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)，如表面效應(yīng)、微尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等，呈現(xiàn)出常規(guī)材料不具備的優(yōu)越性能。,一、背

2、 景,11:12:47,3,納米生物傳感器是將納米材料作為一種新型的生物傳感介質(zhì)，與傳統(tǒng)的傳感器相比，具有體積更小、速度更快、而且精度更高、可靠性更好的優(yōu)點。,納米技術(shù)引入生物傳感器領(lǐng)域后，提高了生物傳感器的靈敏度和其它性能，并促進(jìn)了新型的生物傳感器的發(fā)展。因為具有了亞微米尺寸的換能器、探針或者納米微系統(tǒng)，生物傳感器的各種性能大幅提高。但納米生物傳感器正處于起步階段，目前仍有大量的工作需要進(jìn)行。,11:12:47,4,二、 納米材料

3、介紹,納米材料是指由尺寸小于100nm（0.1-100nm）的超細(xì)顆粒構(gòu)成的具有小尺寸效應(yīng)的零維、一維、二維材料或由它們作為基本單元構(gòu)成的三維材料的總稱。,11:12:47,5,,11:12:47,6,,荷葉表面上有一些微小的蠟質(zhì)顆粒,并且覆蓋著無數(shù)尺寸約10個微米的突包,每個突包的表面又布滿了直徑僅為幾百納米的更細(xì)的絨毛。 這種特性可以應(yīng)用在玻璃上或是戰(zhàn)機(jī)的雷達(dá)上。,自然界中的納米結(jié)構(gòu),11:12:47,7,飛檐走壁的壁虎

4、,在現(xiàn)實生活中, 我們可以制造出抓地更牢的運動鞋,可以制作雨雪環(huán)境中不再打滑的汽車輪胎。而在影視劇拍攝中,演員們可以告別工作室里的電腦,真正在摩天大樓的玻璃幕墻上一展身手。據(jù)此開發(fā)出的空間探測用攀爬型機(jī)器人,無論在什么惡劣的條件下都可以在太空飛行器的外表面行走,給飛行器進(jìn)行“體檢”。,11:12:47,8,“上善若水”的水黽,超疏水特性(超強(qiáng)的不沾水的特性),11:12:47,9,水黽腿部上有數(shù)千根按同一方向排列的多層微米尺寸的剛毛。這

5、些像針一樣的微米剛毛的表面上形成螺旋狀納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)槽,吸附在構(gòu)槽中的氣泡形成氣墊。,11:12:47,10,五彩斑斕的蝴蝶,納米結(jié)構(gòu):光子晶體, 通過這種結(jié)構(gòu),蝴蝶翅膀能捕捉光線。僅讓某種波長的光線透過,這便決定了不同的顏色。,11:12:47,11,利用“羅盤”定位的蜜蜂,利用在磁性納米粒子中存儲的圖像來判明方向。,11:12:47,12,蛛絲,指路線、安全繩、滑翔索。,11:12:47,13,1.表面效應(yīng),（一） 納米材料的特性,

6、納米材料的表面效應(yīng)是指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化。,11:12:47,14,高表面活性 → 交聯(lián)或吸附性強(qiáng),Drug / Gene Delivery System 藥物/基因轉(zhuǎn)運系統(tǒng),吸附在細(xì)胞膜上,胞吞作用,進(jìn)入細(xì)胞,納米粒-藥物/DNA復(fù)合物,,,,11:12:47,15,納米載體-綠色熒光蛋白報道基因轉(zhuǎn)染細(xì)胞,11:12:47,16,,用于檢測或?qū)蚣夹g(shù),11:12:4

7、7,17,,BIOMAT 190802MH,11:12:47,18,2.小尺寸效應(yīng),小尺寸效應(yīng)是指由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化。,尺寸變小 + 比表面積 ↑↑→新奇的性質(zhì),11:12:47,19,由無數(shù)的原子構(gòu)成固體時，單獨原子的能級就并合成能帶，由于電子數(shù)目很多，能帶中能級的間距很小，因此可以看作是連續(xù)的。對介于原子、分子與大塊固體之間的納米顆粒而言，大塊材料中連續(xù)的能帶將分裂為分立的能級；能級間的間距隨顆粒尺寸減小而

8、增大。當(dāng)熱能、電場能或者磁場能比平均的能級間距還小時，就會呈現(xiàn)一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，稱之為量子/小尺寸效應(yīng)。例如，導(dǎo)電的金屬在超微顆粒時可以變成絕緣體，磁矩的大小與顆粒中電子是奇數(shù)還是偶數(shù)有關(guān)，比熱亦會反常變化，光譜線會產(chǎn)生向短波長方向的移動，這就是量子尺寸效應(yīng)的宏觀表現(xiàn)。,11:12:47,20,（1） 特殊的光學(xué)性質(zhì),納米顆粒當(dāng)尺寸小到一定程度時具有很強(qiáng)的吸光性。金屬納米顆粒對光的反射率很低，通常可低于l％，大約幾微

9、米的厚度就能完全消光。幾乎所有的金屬納米顆粒都可呈現(xiàn)黑色。,,,,11:12:47,21,11:12:47,22,（2） 特殊的磁學(xué)性質(zhì),納米顆粒的磁性與大塊材料的磁性有顯著的不同，磁性納米顆粒具有高矯頑力。當(dāng)純鐵顆粒尺寸減小到一定程度（二十個納米）時，其矯頑力可顯著增加；尺寸減小到 6nm 時，其矯頑力反而降低到零，呈現(xiàn)出超順磁性。,11:12:47,23,,生物體內(nèi)磁性超微顆粒---生物磁羅盤,11:12:47,24,磁性阿

10、霉素納米粒在磁場中的定向運動,11:12:49,25,11:12:49,26,（3） 特殊的熱學(xué)性質(zhì),固態(tài)物質(zhì)在大尺寸形態(tài)時，其熔點是固定的，超細(xì)微化后其熔點將顯著降低，當(dāng)顆粒小于10納米量級時尤為顯著。,（4）特殊的力學(xué)性質(zhì),呈納米晶粒的金屬要比傳統(tǒng)的粗晶粒金屬硬3～5倍。 陶瓷材料在通常情況下呈脆性，然而由納米超微顆粒壓制成的納米陶瓷材料卻具有良好的韌性。,11:12:49,27,電子具有粒子性又具有波動性，因此存在隧道效

11、應(yīng)。 納米顆粒的一些宏觀物理量，如顆粒的磁化強(qiáng)度、量子相干器件中的磁通量等，亦顯示出隧道效應(yīng)，稱之為宏觀的量子隧道效應(yīng)。,3. 宏觀量子隧道效應(yīng),11:12:49,28,（二） 納米材料分類,納米粉末：碳酸鈣，白炭黑，氧化鋅,,納米纖維：納米絲、納米棒、納米管,納米膜： 超薄膜、多層膜、超晶格,納米液體材料,納米塊體: 納米Cu的塊體材料,材料的形態(tài),,,,11:12:49,29,物理性能,納米半導(dǎo)體材料納米磁性材料納米

12、非線性光學(xué)材料納米鐵電體材料納米超導(dǎo)材料納米熱電材料,,11:12:49,30,化學(xué)結(jié)構(gòu),納米金屬納米晶體納米陶瓷納米玻璃納米高分子材料納米復(fù)合材料,,11:12:49,31,應(yīng)用,納米電子材料納米光電子材料納米生物醫(yī)學(xué)材料納米敏感材料納米儲能材料,,11:12:49,32,（三） 納米生物材料的制備,納米顆粒的作用受其尺寸、形貌和結(jié)構(gòu)的影響。不是所有納米尺寸的顆粒都能起作用，納米顆粒的尺寸也不是越小越好；特定的

13、技術(shù)領(lǐng)域需要特定尺寸、大小均一的納米顆粒才能發(fā)揮最佳效果。,11:12:49,33,（四）納米生物醫(yī)用材料及其應(yīng)用,1.細(xì)胞分離用納米材料,利用納米復(fù)合粒子性能穩(wěn)定、不與膠體溶液反應(yīng)且易實現(xiàn)與細(xì)胞分離等特點,可將納米粒子應(yīng)用于診療中進(jìn)行細(xì)胞分離。,11:12:49,34,美國科學(xué)家用納米SiO2微粒很容易將懷孕8星期左右婦女的血樣中極少量的胎兒細(xì)胞分離出來,并能準(zhǔn)確地判斷是否有遺傳缺陷；挪威工科大學(xué)的研究人員,利用納米磁性粒子成功地進(jìn)行

14、了人體骨骼液中腫瘤細(xì)胞的分離；利用納米微粒進(jìn)行細(xì)胞分離技術(shù)很可能在腫瘤早期從血液中檢查出癌細(xì)胞，實現(xiàn)癌癥的早期診斷和治療。,11:12:49,35,利用不同抗體對細(xì)胞內(nèi)各種器官和骨骼組織的敏感程度和親和力的顯著差異,選擇抗體種類，將納米金粒子與預(yù)先精制的抗體或單克隆抗體混合,制備成多種納米金/抗體復(fù)合物。,2.用于細(xì)胞內(nèi)部染色的納米材料,11:12:49,36,借助復(fù)合粒子分別與細(xì)胞內(nèi)各種器官和骨骼系統(tǒng)結(jié)合而形成的復(fù)合物,在白光或單色光

15、照射下呈現(xiàn)某種特征顏色(如10nm的金粒子在光學(xué)顯微鏡下呈紅色),從而給各種組合“貼上”了不同顏色的標(biāo)簽,因而為提高細(xì)胞內(nèi)組織的分辨率提供了一種急需的染色技術(shù)。,11:12:49,37,應(yīng)用不同的材料制備納米顆粒并通過改變其大小和形狀可以改變納米顆粒的光散射性質(zhì)。以此為基礎(chǔ)可制備多種顏色的納米顆粒標(biāo)簽。改變納米顆粒的形狀不僅可以改變其光散射特征，還可以改變其他特征如產(chǎn)生諧波等。 例如：球形納米銀顆粒不散射紅光，而棱柱形納米銀顆粒卻

16、呈紅色。,11:12:49,38,11:12:49,39,這些不同顏色的納米顆粒標(biāo)簽表面包被細(xì)胞特異性抗體/配體后，可進(jìn)行組織/細(xì)胞染色或標(biāo)記、疾病的診斷及示蹤技術(shù)。,11:12:49,40,3. 納米藥物控釋材料,納米粒子不但具有能穿過組織間隙并被細(xì)胞吸收、可通過人體最小的毛細(xì)血管、甚至可通過血腦屏障等特性, 而且還具有靶向、緩釋、高效、低毒且可實現(xiàn)口服、靜脈注射及敷貼等多種給藥途徑。,11:12:49,41,4. 納米抗菌材料及創(chuàng)傷

17、敷料,利用Ａｇ+可使細(xì)胞膜上的蛋白失活, 從而殺死細(xì)菌。,利用該類材料的光催化作用, 與Ｈ2Ｏ反應(yīng)生成具強(qiáng)氧化性的羥基以殺死病菌,ZnO、TiO2等光觸媒型納米抗菌材料,Ａｇ+系抗菌材料:,11:12:49,42,5.納米顆粒中藥及保健品,納米級中藥粒子 ——可溶于水, 有效提高藥物利用率 ——口服膠囊、口服液或膏藥,納米膠囊或納米粒子懸浮液保健品 —— ↓毒性，↑活性（

18、硒旺膠囊 ）,11:12:49,43,6. 納米醫(yī)用陶瓷,納米陶瓷在人工骨、人工關(guān)節(jié)、人工齒以及牙種植體、耳聽骨修復(fù)體等人工器官制造及臨床應(yīng)用領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。,納米級羥基磷灰石復(fù)合材料,聚酰胺/納米HA晶體生物活性材料ZrO2 的納米羥基磷灰石復(fù)合材料 納米TiO2 /聚合物復(fù)合材料,,11:12:49,44,7.納米生物活性材料,鈣鹽納米ＳｉＯ2/聚合物復(fù)合材料 : 在人體液中放置1周后, 可以觀察到其表面有羥基磷灰石層形成

19、。,含鈦硅的納米復(fù)合材料 ：具有優(yōu)良的透光率、氧氣透過率和吸濕性, 是理想的隱形眼鏡材料。,11:12:49,45,聚氨酯材料 ：因其良好的生物相容性和優(yōu)異的力學(xué)性能常用來制作血管移植物、介入導(dǎo)管、心臟輔助循環(huán)體系及人工心臟等。,納米微孔ＳｉＯ2玻璃 ：可用作微孔反應(yīng)器、功能性分子吸附劑、生物酶催化劑及藥物控釋體系的載體等。,11:12:49,46,在血管中運動的納米機(jī)器人，使用納米切割機(jī)和真空吸塵器來清除血管中的沉積物。,納米機(jī)器人消

20、滅癌細(xì)胞虛擬圖,未來應(yīng)用,11:12:49,47,三.納米生物傳感器,納米生物傳感器是納米技術(shù)與生物傳感器的融合，其研究領(lǐng)域涉及到生物技術(shù)、信息技術(shù)、納米科學(xué)、界面科學(xué)等多個重要領(lǐng)域。,11:12:49,48,11:12:49,49,11:12:49,50,11:12:49,51,Company Logo,碳納米管在納米生物傳感器中的應(yīng)用,碳納米管（Carbon Nanotubes，CNTs）是一種由碳六元環(huán)構(gòu)成的類石墨平面卷曲而成的納

21、米級中空管。CNTs具有良好的導(dǎo)電性、催化活性和較大的比表面積，因此被廣泛用于修飾電極的研究。分散性良好的碳納米管在水溶液或丙酮、甲醇等有機(jī)溶劑中可觀察到很強(qiáng)的熒光發(fā)射。由于獨特的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)，碳納米管對周圍的環(huán)境極其敏感，所以可以將其應(yīng)用于化學(xué)傳感器。,11:12:49,52,CNTs在氧化還原酶生物傳感器中的應(yīng)用,酶的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，活性中心通常包埋于酶內(nèi)部，很難實現(xiàn)酶與電極間的直接電子轉(zhuǎn)移。碳納米管具有良好的導(dǎo)電性、穩(wěn)定性和生物

22、兼容性，將酶固定到碳米管表面可以保持酶的生物活性，有效地促進(jìn)酶與傳感器之間快速、直接的電子轉(zhuǎn)移，提高酶生物傳感器的檢測速度、穩(wěn)定性和使用壽命。應(yīng)用于葡萄糖的檢測中還可應(yīng)用于有機(jī)磷類化合物的分析檢測,11:12:49,53,CNTs在DNA生物傳感器中的應(yīng)用,DNA生物傳感器具有靈敏度高、制作簡單和成本較低等優(yōu)勢，近年來在基因檢測和傳染性疾病研究等領(lǐng)域的應(yīng)用得到了迅速發(fā)展。將DNA特有的分子識別功能與碳納米管的優(yōu)良性能相結(jié)合，通過

23、化學(xué)吸附、共價聯(lián)接、靜電吸附等方法將DNA固定在碳納米管上，以期獲得性能更加優(yōu)良的DNA生物傳感器。,11:12:49,54,CNTs在電化學(xué)免疫生物傳感器中的應(yīng)用,電化學(xué)免疫生物傳感器可用于檢測細(xì)胞活性、腫瘤細(xì)胞標(biāo)記物和致病微生物等，具有高度特異性、敏感性和穩(wěn)定性。碳納米管共價修飾抗體或其他受體后，不產(chǎn)生細(xì)胞毒性，也不會影響抗體或受體的免疫活性，近年來該方法在免疫傳感器方面的應(yīng)用逐漸增加。利用單壁碳納米管制備了高度靈敏的生物傳感器

24、，用于檢測多種癌細(xì)胞標(biāo)記物。碳納米管還可用于檢測植物毒素。,11:12:49,55,膠體金修飾納米免疫傳感器,利用抗原與抗體之間高選擇性分子識別，進(jìn)行抗體或抗原分析免疫分子的識別組件物理信號轉(zhuǎn)換組件納米結(jié)構(gòu)改進(jìn)?表面抗體分布可控，具有理想固定方向,11:12:49,56,制備方法：層層組裝在打磨過的金基底上，生長復(fù)合納米結(jié)構(gòu)抗體連接在膠體金上高分子復(fù)合層是“水泥”，膠體金是“鋼筋”,紅色：高分子聚合物PSS 灰色：高分

25、子聚合物PAH藍(lán)色：膠體金,11:12:49,57,納米病原微生物檢測,Tan等提出了一項新的生物納米技術(shù)，該技術(shù)是采用生物修飾的納米顆粒，通過熒光信號為基礎(chǔ)的免疫試驗，快速、準(zhǔn)確地檢測出單個細(xì)菌。他們選擇的是大腸桿菌0157：H7作為檢測細(xì)菌，因為它是食物來源腸道感染致病菌的最主要代表。傳統(tǒng)檢測微量細(xì)菌的方法需要擴(kuò)增或是富及樣本中的目標(biāo)菌，因過程繁瑣而費時費力。該研究中，納米顆粒起到極強(qiáng)的信號放大作用，細(xì)菌眾多的表面抗原可供抗體

26、修飾的納米顆粒識別與結(jié)合，所以每一個細(xì)菌表面將結(jié)合數(shù)以千計的納米顆粒，從而提供極強(qiáng)的熒光信號。該方法甚至能發(fā)展到384孔微平板的多菌樣本高通量檢測。因此，用針對不同細(xì)菌的特異性抗體來修飾納米顆粒，這項納米生物技術(shù)就能用來檢測多種來源的細(xì)菌病原體，包括生物恐怖試劑以及食品、臨床和環(huán)境樣本。,11:12:49,58,單個細(xì)菌檢測機(jī)制。單個細(xì)菌結(jié)合極多納米顆粒，利于信號放大,11:12:49,59,光學(xué)納米生物傳感器,表面等離子體共振(S

27、PR)是一種光和金屬電子相互作用的光一電子現(xiàn)象，它是將光子所攜帶的能量轉(zhuǎn)移給金屬表面的電子。如今，迫切需要能特異鑒別周圍環(huán)境中低濃度生物物質(zhì)的微型化光學(xué)傳感器，但目前還不存在未經(jīng)擴(kuò)增就能鑒定出自然濃度的這種儀器。借助局部SPR光譜技術(shù)，可利用三面體銀納米顆粒制成一種新型的光學(xué)傳感器，因為這種銀顆粒具有顯著的光學(xué)特性，且能大大提高檢測的敏感性。,11:12:49,60,納米生物傳感器在氯霉素檢測中的應(yīng)用,利用pH 敏感的熒光指示劑F13

28、00 可以量化ATP 合酶活性的特點，構(gòu)建生物傳感器，開發(fā)靈敏、特異、快速的氯霉素殘留檢測方法。將pH 變化敏感熒光物質(zhì)F1300標(biāo)記到色素體(chromatophore)的內(nèi)表面，然后，將β亞基抗體-生物素-鏈親和素-生物素-氯霉素抗體系統(tǒng)連接到色素體上F0F1-ATPase的β亞基上，該檢測體系能與氯霉素相連接。采用微弱發(fā)光檢測儀檢測熒光值，根據(jù)熒光值確定氯霉素濃度。樣品中氯霉素濃度越高表現(xiàn)出的總熒光值越低，反之亦然。,11:12:

29、49,61,納米量子點在生物傳感器上的應(yīng)用,量子點是納米尺寸（通常在2～20 nm）的半導(dǎo)體納米微晶體，常制成核-殼-外涂層（core-shell-coating）結(jié)構(gòu)，核為量子點（如CdSe、CdS、CdTe），決定量子點的發(fā)射波長；殼為無機(jī)金屬，決定量子點的亮度和光穩(wěn)定性；外層為有機(jī)化合物，使量子點能較容易地標(biāo)記到生物材料上。目前研究的重點在于如何對量子點表面進(jìn)行有效的生化修飾。Sapsford 等采用單分子層自組裝法，在玻片上修

30、飾一層中性親和素單分子層，通過生物素-親和素的特異性識別， 將生物素化的麥芽糖結(jié)合蛋白-量子點結(jié)合子固定到玻片上。研究表明，這種自組裝法可以對量子點進(jìn)行有效的表面修飾，表現(xiàn)出很強(qiáng)的特異性。量子點的發(fā)射波長可以簡單地通過調(diào)節(jié)其尺寸而改變，這種尺寸效應(yīng)使其在多靶標(biāo)方面具有明顯優(yōu)勢。Goldman 等制備了不同發(fā)射波長的CdSe-ZnS-抗體結(jié)合物， 采用夾心免疫檢測法，可以實現(xiàn)霍亂毒素、蓖麻毒素、類志賀毒素1 以及葡萄球菌腸毒素B 的同步