纳米探针与诊断技术课件

纳米探针与诊断技术纳米探针与诊断技术卫生部肝胆肠外科研究中心卫生部肝胆肠外科研究中心 王自明王自明纳米探针与诊断技术卫生部肝胆肠外科研究中心1 纳米探针的概念纳米探针的概念纳米探针是一种能探测单个活细胞的纳米探针是一种能探测单个活细胞的新新型超微型超微生物传感器生物传感器.探头尺寸仅为纳米量级探头尺寸仅为纳米量级(1-100nm)(1-100nm)。作为生物传感技术领域迅猛发展起来的一项新型作为生物传感技术领域迅猛发展起来的一项新型传感器传感器,具有体积小、能在细胞内实时测量、对具有体积小、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。领域得到广泛应用。纳米探针的概念纳米探针是一2一、生物传感器一、生物传感器1 1、概念：、概念：生物传感器是以生物学组件为功能性识别元生物传感器是以生物学组件为功能性识别元件件,识别和感知目的被测量并将其按一定规律转换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。是用生物活性材料为可识别信号的器件或装置。是用生物活性材料（酶、蛋白质、（酶、蛋白质、DNADNA、抗体、抗原、生物膜等）与、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物理化学换能器有机结合的一门交叉学科,也是物也是物质分子水平的快速、微量分析方法。质分子水平的快速、微量分析方法。(biosensor)一、生物传感器1、概念：(biosensor)3 2 2、组、组 成：成：1 1、感受器感受器：分子识别元件，分子识别元件，由具有分子由具有分子识别能力的生物活性物质构成识别能力的生物活性物质构成;2 2、换能器换能器：电化学或光学转换元件。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。的生物传感器分析装置、仪器和系统。2、组成：43 3、特、特 点：点：（1 1）选择性好，专一性强；）选择性好，专一性强；（只对特定的底物（只对特定的底物起反应起反应,而且不受颜色、浊度的影响。）而且不受颜色、浊度的影响。）（2 2）灵敏度高，分析速度快；）灵敏度高，分析速度快；（可以在一分钟（可以在一分钟得到结果。）得到结果。）（3 3）样品需要量少，准确度高；）样品需要量少，准确度高；（一般相对误（一般相对误差可以达到差可以达到1 1）（4 4）操作系统比较简单）操作系统比较简单 ；（容易实现微型化（容易实现微型化及自动分析）及自动分析）（5 5）成本低；）成本低；（在连续使用时，每例测定仅需（在连续使用时，每例测定仅需要几分钱人民币。）要几分钱人民币。）3、特点：54 4、分、分 类：类：（1 1）按照其感受器中所采用的生命物质可分为：）按照其感受器中所采用的生命物质可分为：DNADNA传感器传感器免疫传感器免疫传感器酶传感器酶传感器细胞传感器细胞传感器微生物传感器等等微生物传感器等等（2 2）按照生物敏感物质相互作用的类型可分为：）按照生物敏感物质相互作用的类型可分为：亲和型亲和型代谢型代谢型纳米探针与诊断技术课件6 （3 3）按照传感器器件检测的原理分类：）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认为生物传感器是基于电化学或光学传感的原理学或光学传感的原理,原则上可分为：原则上可分为：电化学式：电化学式：包括电位式、电流式、电导式；包括电位式、电流式、电导式；光学式：光学式：包括吸光式、反光式、发光式。包括吸光式、反光式、发光式。7二、纳米技术与生物传感器纳米技术与生物传感器纳米技术纳米技术(nanometer technology）是用单是用单个原子、分子制造物质的科学技术。其主要针对个原子、分子制造物质的科学技术。其主要针对1 1100100之间的尺寸之间的尺寸,该尺寸处在原子、分子该尺寸处在原子、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观这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统系统,突出表现为表面效应、体积效应、量子效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应和宏观量子隧道效应四大效应.二、纳米技术与生物传感器纳米技术(nanom8纳米材料从根本上改变了材料的结构纳米材料从根本上改变了材料的结构,被公被公认为是认为是2121世纪最具有前途的科研领域，是国际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生物技术领域的前沿和热点问题,在医药卫生在医药卫生,食品生产和监控食品生产和监控,环境监测等领域有着广泛的环境监测等领域有着广泛的应用和明确的产业化前景。应用和明确的产业化前景。近年来近年来,纳米技术逐步进入生物传感器领纳米技术逐步进入生物传感器领域域,引发突破性的进展引发突破性的进展,在疾病的诊断、治疗和在疾病的诊断、治疗和卫生保健方面发挥重要作用。卫生保健方面发挥重要作用。纳米材料从根本上改变了材料的结构,被9一）纳米颗粒与生物传感器一）纳米颗粒与生物传感器 1 1、纳米颗粒标记、纳米颗粒标记 磁性纳米颗粒磁性纳米颗粒可标记识别因子可标记识别因子,其其与肿瘤表与肿瘤表面的面的靶标识别器靶标识别器结合后结合后,可可在体外测定磁性颗粒在在体外测定磁性颗粒在体内的分布和位置体内的分布和位置,从而对肿瘤的定位。从而对肿瘤的定位。纳米金纳米金对许多生物人分子都有很强的吸附作对许多生物人分子都有很强的吸附作用用,且吸附后不会使生物分子变性且吸附后不会使生物分子变性,当其与抗体结当其与抗体结合后便可用来检测抗原；合后便可用来检测抗原；DNADNA经硫醇化后可固定于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纳米金上，一个颗粒最多可结合几百个DNADNA分子分子,将其浸入溶液中便可捕获待测液中的靶将其浸入溶液中便可捕获待测液中的靶 DNA DNA。一）纳米颗粒与生物传感器1、纳米颗粒标记102 2、纳米颗粒用作固定载体、纳米颗粒用作固定载体 纳米粒子具有纳米粒子具有高比表面积高比表面积,用用于生物分子的固定于生物分子的固定,可以增加固定可以增加固定的分子数量的分子数量,从而增强反应信号。从而增强反应信号。Singh Singh等人用等人用solgelsolgel方法合成方法合成硅纳米颗粒硅纳米颗粒,其直径为其直径为2020或或200200，该纳米颗粒用于固定，该纳米颗粒用于固定乙酰胆乙酰胆碱脂酶碱脂酶,构建有机磷农药生物传感构建有机磷农药生物传感器，具有较高的比表活性器，具有较高的比表活性,结合结合离离子敏场效应管子敏场效应管检测检测,响应迅速响应迅速(10(10),),灵敏度高灵敏度高,对对Para OxonPara Oxon杀虫剂杀虫剂的检测下限可达的检测下限可达110110-6-6mol/mol/2、纳米颗粒用作固定载体113 3、智能纳米颗粒、智能纳米颗粒 通过掺杂通过掺杂丁二炔单体丁二炔单体进入两进入两亲性的亲性的磷脂纳米颗粒小体磷脂纳米颗粒小体,在紫在紫外照射下聚合外照射下聚合,形成稳定的形成稳定的微组微组装结构装结构。在聚丁二炔的头端修。在聚丁二炔的头端修饰上具有特异识别功能的生物饰上具有特异识别功能的生物分子分子,在溶液状态下在溶液状态下,待测分子待测分子的结合拉动的结合拉动聚丁二炔纳米颗粒聚丁二炔纳米颗粒的结构变化的结构变化,从而产生肉眼可见从而产生肉眼可见的蓝的蓝-红颜色变化红颜色变化,结合紫外检结合紫外检测测,结果更为灵敏结果更为灵敏,该方法有可该方法有可能发展成一种简单、方便的新能发展成一种简单、方便的新型智能生物传感器。型智能生物传感器。3、智能纳米颗粒12二）多孔纳米结构与生物传感器二）多孔纳米结构与生物传感器1 1、纳米微管用于生物分子的固定、纳米微管用于生物分子的固定 如：如：聚吡咯聚吡咯纳米微管固定法：纳米微管固定法：Miao Miao等利用化学或电化学方法使吡等利用化学或电化学方法使吡咯单体在模板孔隙中生长咯单体在模板孔隙中生长,以得到与以得到与模板相应结构的纳米管。这种微管具模板相应结构的纳米管。这种微管具有统一直径有统一直径,上下连通上下连通,管壁多孔的特管壁多孔的特点。它具有较大的比表面积点。它具有较大的比表面积,能容纳能容纳大量的酶分子大量的酶分子,并减少反应物和产物并减少反应物和产物的扩散障碍的扩散障碍,有效地提高有效地提高酶电极酶电极的性的性能。能。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13 2 2、纳米多孔硅薄膜、纳米多孔硅薄膜 对单晶硅进行电化学对单晶硅进行电化学腐蚀可以得到具有纳米孔腐蚀可以得到具有纳米孔径的多孔硅径的多孔硅,这种材料具有这种材料具有室温可见发光和高比表面室温可见发光和高比表面积积(500(5002 2/3 3)特性特性,增加了可固定敏感分子的增加了可固定敏感分子的数量数量,从而提高了灵敏度。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通过检测光干涉和折射率的变化,从而构建了一种新从而构建了一种新型的免疫标记生物传感器型的免疫标记生物传感器,用于用于 的检测的检测,灵灵敏度可达敏度可达194.2194.2/。2、纳米多孔硅薄膜14三）纳米器件与生物传感器三）纳米器件与生物传感器1 1、纳米电线、纳米电线 Rakitin Rakitin等人的研究发现锌、等人的研究发现锌、镍、钴等离子能够并入镍、钴等离子能够并入的双螺旋的中心的双螺旋的中心,在高值等在高值等基本条件下基本条件下,可以稳定含可以稳定含有金属离子的状态有金属离子的状态,获得了导电获得了导电的电线。并且的电线。并且,此类金属此类金属化的仍然保持选择性结化的仍然保持选择性结合其它分子的能力。利用该特合其它分子的能力。利用该特点点,可以开发遗传畸变探测生物可以开发遗传畸变探测生物传感器。传感器。三）纳米器件与生物传感器1、纳米电线152 2、手持式纳米生物传感器、手持式纳米生物传感器 （悉尼海湾的一粒方塘）（悉尼海湾的一粒方塘）澳大利亚有限公司澳大利亚有限公司悉尼实验室研制出一种手持式纳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形成具有开关功能的离子通道,当当敏感膜与样本中的受体结合敏感膜与样本中的受体结合,引起引起离子通道的关闭离子通道的关闭,从而影响导电性从而影响导电性能。这种纳米检测仪非常灵敏能。这种纳米检测仪非常灵敏,可可检测分子的下限相当于悉尼海湾检测分子的下限相当于悉尼海湾里溶解的一粒方糖。其用途非常里溶解的一粒方糖。其用途非常广泛广泛,一个拇指甲大小的传感器能一个拇指甲大小的传感器能在几分钟内在几分钟内,可可从病人的体液中确从病人的体液中确认病因。认病因。2、手持式纳米生物传感器163 3、纳米微悬梁生物传感器、纳米微悬梁生物传感器 公司和瑞典公司和瑞典BaselBasel大学的大学的研究人员开发一种新型的纳米微悬研究人员开发一种新型的纳米微悬梁生物传感器梁生物传感器,利用分子的利用分子的双螺旋机构双螺旋机构,作为分子特异性识别作为分子特异性识别能力的模型。能力的模型。器件的核心是硅悬梁天平阵列器件的核心是硅悬梁天平阵列,长长500500,宽宽100100,厚度为厚度为11。由于生物分子的结合。由于生物分子的结合,从而引从而引起悬梁臂的弯曲起悬梁臂的弯曲,通过激光反射技通过激光反射技术术,该器件能够检测到该器件能够检测到10102020的弯曲。在悬梁天平阵列表面固定的弯曲。在悬梁天平阵列表面固定具有不同识别性的分子具有不同识别性的分子,构成阵列构成阵列式生物传感器式生物传感器,可以同时检测多项可以同时检测多项指标。指标。3、纳米微悬梁生物传感器17三、半导体量子点荧光探针三、半导体量子点荧光探针是是基于半导体量子点基于半导体量子点(quantum dots,(quantum dots,QD)QD)发展起来的生物亲和性多功能纳米荧光探发展起来的生物亲和性多功能纳米荧光探针针.具有独特的光学性质，能在活体内或活细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胞生理条件下对多种活细胞和活细胞内多种生物分子物分子“编码编码”标记后，同时进行多组分、多标记后，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。的开发中有广阔的应用前景。三、半导体量子点荧光探针是基于半导体量子18一）基本组成结构及光学特征一）基本组成结构及光学特征1 1、组成结构：、组成结构：半导体量子点或称为半导体纳米微晶体半导体量子点或称为半导体纳米微晶体(scmiconductor nanocrystal)(scmiconductor nanocrystal)，它是由，它是由一一族元素族元素(如如CdSe,CdSCdSe,CdS等等)或或一一V V族元素族元素(如如InP,InAs)InP,InAs)组成的尺寸小于组成的尺寸小于1OOnm1OOnm的半导体纳的半导体纳米微晶体。米微晶体。当这些半导体纳米微晶体的直径小于其当这些半导体纳米微晶体的直径小于其玻尔直径玻尔直径(lOnm)(lOnm)时，这些半导体纳米微晶体时，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，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。表现出其独特的光学特征。一）基本组成结构及光学特征1、组成结构：192 2、光学特性、光学特性 激发光波长范围宽且连续分布，而发射波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，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大小的量子点在同一光源照射下发射出不同颜色的光色的光.2、光学特性20 具有严格的量子尺寸效应，通过改变量子点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粒径大小可获得从紫外到近红外范围(即从蓝即从蓝色到红色波长范围色到红色波长范围)内任意点的光谱。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时实时监中常常需要在活细胞体系或活体内同时实时监测多种细胞间的相互作用或细胞在受到某种内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。外刺激时其细胞内多种生物分子的变化情况。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21 半导体量子点荧光量子产率高，发光度强，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。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前用的有机荧光染料分子强2020倍，光化学稳定倍，光化学稳定性则提高了性则提高了100100倍以上，这有利于对标记物进倍以上，这有利于对标记物进行长时间的观察研究。行长时间的观察研究。半导体量子点荧光量子产率高，发光度强，光化学稳定性好，22二）生理条件下在恶性肿瘤中的研究二）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胞或细胞内研究的对现量子点荧光探针与靶细胞或细胞内研究的对象生物分子特异性地结合。象生物分子特异性地结合。二）生理条件下在恶性肿瘤中的研究目前231 1、对肿瘤细胞同时进行多通道、长时间的观察、对肿瘤细胞同时进行多通道、长时间的观察 WuWu等用链酶亲合素等用链酶亲合素(streptavidin)(streptavidin)与不与不同粒径的量子点连接，制备了量子点一链酶亲同粒径的量子点连接，制备了量子点一链酶亲合荧光探针合荧光探针(QDs-streptavidin)(QDs-streptavidin)，分别连接，分别连接抗体和生物素，通过抗原一抗体结合法和生物抗体和生物素，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素法分别同时特异性地标记乳腺癌细胞膜上Her2Her2受体蛋白、细胞质中微管蛋白和细胞核中受体蛋白、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种蛋白分子的直接“阅读阅读”。1、对肿瘤细胞同时进行多通道、长时间的观察24 JaswalJaswal等用两种方法分别对等用两种方法分别对HeLaHeLa细胞用量子细胞用量子点标记，首先用二氢叶酸包裹量子点，然后通点标记，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过内吞作用将量子点标记在HeLaHeLa细胞的囊泡内，细胞的囊泡内，标记的量子点第标记的量子点第1212天仍稳定存在于细胞中天仍稳定存在于细胞中;另另外通过量子点与生物素连接而成的量子点一生外通过量子点与生物素连接而成的量子点一生物素物素(QDs-avidin)(QDs-avidin)荧光探针，对表面生物素荧光探针，对表面生物素化的化的HeLaHeLa细胞膜进行特异性的标记，结果表明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标记的半导体量子点在活细胞内能连续承受激发光激发光(5Omw,488nm laser)(5Omw,488nm laser)照射照射1414小时而荧光小时而荧光强度不发生明显的减退，在强度不发生明显的减退，在1212天后细胞内仍能天后细胞内仍能检测到可见荧光。检测到可见荧光。Jaswal等用两种方法分别对HeLa细胞用量252 2、对生物分子的运动、分布及信号传导的研究、对生物分子的运动、分布及信号传导的研究 LidkeLidke等用量子点联合荧光蛋白技术对人表等用量子点联合荧光蛋白技术对人表皮癌细胞皮癌细胞A431A431的的HERHER家族家族erbBerbB介导的信号传导介导的信号传导进行可视化的研究进行可视化的研究.他们先将人表皮癌细胞他们先将人表皮癌细胞A431A431的的erbBl,erbB2erbBl,erbB2分别与绿色荧光蛋白和黄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，将量子色荧光蛋白融合，得到稳定的表达后，将量子点与表皮生长因子点与表皮生长因子(EGF)(EGF)连接而成量子点一表连接而成量子点一表皮生长因子荧光探针皮生长因子荧光探针(QDs-EGF)(QDs-EGF)，直接可视化，直接可视化观察了观察了QDs-EGIQDs-EGI与与erbBerbB受体的相互作用以及这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。些信号分子受刺激后它们的运动情况。2、对生物分子的运动、分布及信号传导的研究263、非侵入性活体成像、非侵入性活体成像 KimKim等用量子点荧光探针研究乳腺癌的前哨等用量子点荧光探针研究乳腺癌的前哨淋巴结淋巴结.用磷酸氢包裹发射波长为用磷酸氢包裹发射波长为840840一一860nm860nm的量子点，然后将量子点分别通过小鼠模型的的量子点，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成像在体外可分别清楚显示距皮肤1 cm1 cm下的腹下的腹股沟和腋下前哨淋巴结以及周围的淋巴管道，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，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达到了体外对前哨淋巴结“光学活检光学活检”的目的。的目的。3、非侵入性活体成像Kim等用量子点荧光27三三）CdTe量子点荧光探针的研制量子点荧光探针的研制自自2005年开始本中心纳米实验室开展水相合年开始本中心纳米实验室开展水相合成成CdTe量子点及其应用的相关研究量子点及其应用的相关研究,2007年两位年两位生物医学工程硕士学位研究生在毕业论文答辩中生物医学工程硕士学位研究生在毕业论文答辩中报告了报告了CdTe量子点在生物标记、基因转染和肿量子点在生物标记、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。会各为专家的高度评价。三）CdTe量子点荧光探针的研制自200528水相合成水相合成CdTe量子点荧光探针简介量子点荧光探针简介主要材料主要材料水相合成CdTe量子点荧光探针简介主要材料29水相合成水相合成CdTe量子点荧光探针简介量子点荧光探针简介主要材料主要材料水相合成CdTe量子点荧光探针简介主要材料30实验方法实验方法水相合成水相合成CdTe量子点荧光探针简介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31水相合成水相合成CdTe量子点荧光探针简介量子点荧光探针简介实验方法实验方法水相合成CdTe量子点荧光探针简介实验方法32水相合成水相合成CdTe量子点荧光探针简介量子点荧光探针简介实验方法实验方法水相合成CdTe量子点荧光探针简介实验方法33（四）量子点偶联蛋白（四）量子点偶联蛋白水相合成水相合成CdTe量子点荧光探针简介量子点荧光探针简介实验方法实验方法（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34实验结果实验结果水相合成水相合成CdTe量子点荧光探针简介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35实验结果实验结果水相合成水相合成CdTe量子点荧光探针简介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36四、四、纳米磷光探针纳米磷光探针的制备及的制备及 特征特征 纳米磷光探针纳米磷光探针是是将磷光染料包埋或键合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射、基因枪轰击、脂质体转移等方法将其转入细胞中，从而转入细胞中，从而对细胞内的特定物质进对细胞内的特定物质进行检测。行检测。同荧光相比，磷光具有较大的同荧光相比，磷光具有较大的StokesStokes位移、位移、与激发光谱重叠少，寿命长等特点，因此其具有与激发光谱重叠少，寿命长等特点，因此其具有更好的选择性。更好的选择性。四、纳米磷光探针的制备及特征纳米磷光探针是将37一）一）纳米磷光探针纳米磷光探针的制备的制备试剂：试剂：1 1一溴一一溴一2 2一甲基萘一甲基萘(ACROS(ACROS，ORGANICS)ORGANICS)；甲基丙烯酸甲基丙烯酸(ACROS(ACROS，ORGANICS)ORGANICS)；硫酸铜硫酸铜(北京化学试剂三厂，分析纯北京化学试剂三厂，分析纯)；烯丙基溴烯丙基溴(ACROS(ACROS，ORGANICS)ORGANICS)；十二烷基硫酸钠十二烷基硫酸钠(天津市博迪化工有限公司，天津市博迪化工有限公司，分析纯分析纯)；氯化汞氯化汞(北京化工厂，分析纯北京化工厂，分析纯)；氯化钡，氯化钙，氯化钴，硫酸锌，氯化镍等氯化钡，氯化钙，氯化钴，硫酸锌，氯化镍等一）纳米磷光探针的制备试剂：38纳米磷光探针纳米磷光探针的制备的制备仪仪 器：器：荧光光谱仪荧光光谱仪(Cary Eclipse(Cary Eclipse，Vafian)Vafian)，Jy92Jy92一一超声波细胞粉碎机超声波细胞粉碎机(宁波新芝生物科宁波新芝生物科技股份有限公司技股份有限公司)；TEMTEM电子透射扫描仪电子透射扫描仪(HITACHIH(HITACHIH一一600)600)；透析袋透析袋(上海生工，上海生工，SP133116)SP133116)；TUTU一一19011901紫外一可见吸收光谱仪紫外一可见吸收光谱仪(北京普析通北京普析通用公司用公司)。纳米磷光探针的制备仪器：39纳米磷光探针纳米磷光探针的制备的制备制备方法：制备方法：1、2g镁粉和7mL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1045g，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0107molL溶液。取甲基丙烯酸与适量十二烷基硫酸钠，二次水定容至40mL。在超声下搅拌。纳米磷光探针的制备制备方法：40纳米磷光探针纳米磷光探针的制备的制备结结 果：果：磷光纳米探针颗磷光纳米探针颗粒平均尺寸为粒平均尺寸为(4010)nmnm，分布，分布在在30-50 nm30-50 nm之间的之间的数量占到数量占到8585 。纳米磷光探针的制备结果：41二）纳米磷光探针二）纳米磷光探针的特征分析的特征分析纳米磷光探针的磷纳米磷光探针的磷光光谱：光光谱：在波长为在波长为288nm288nm光激光激发下磷光发射带峰值发下磷光发射带峰值为为532 nm532 nm，在不通氮，在不通氮除氧的条件下磷光强除氧的条件下磷光强度为度为149149。在通入。在通入N N 的条件下可以得到强的条件下可以得到强度为度为633633的磷光的磷光.二）纳米磷光探针的特征分析纳米磷光探针的磷光光谱：42 纳米磷光探针纳米磷光探针的特征分析的特征分析溶剂极性对探针磷光的影响溶剂极性对探针磷光的影响三种溶剂对纳米探针三种溶剂对纳米探针磷光强度影响所对应磷光强度影响所对应的猝灭方程分别为：的猝灭方程分别为：Ya=-0.487+6O.2Ya=-0.487+6O.2；yb=-0.709x+6O.5yb=-0.709x+6O.5；yc=-0.767+58.8yc=-0.767+58.8(探针在极性强的溶液中稳定性更好)纳米磷光探针的特征分析溶剂极性对探针磷光的影响(探43纳米磷光探针纳米磷光探针的特征分析的特征分析磷光探针对铜离子的传感磷光探针对铜离子的传感浓度在浓度在1.0101.010 1.0101.010-4-4 mol molL L范范围内，纳米探针的磷围内，纳米探针的磷光强度逐渐衰减光强度逐渐衰减.Stern-VolmerStern-Volmer猝灭常猝灭常数数Ksv=2.48lOs Ksv=2.48lOs 纳米磷光探针的特征分析磷光探针对铜离子的传感44纳米磷光探针纳米磷光探针的特征的特征各种金属离子对纳米探针各种金属离子对纳米探针的磷光强度影响的磷光强度影响金属离子在金属离子在1.0101.010-3molL范围内，范围内，纳米探针的磷光强度变纳米探针的磷光强度变化很小，化很小，但随但随Hg2 Hg2 浓度浓度的增加，纳米探针的磷的增加，纳米探针的磷光增强光增强 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45三）、结论三）、结论:在优选的条件下合成的生物兼容性的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，产生较强的水溶性，在非除氧条件下，产生较强的磷光发射信号。的磷光发射信号。1.0 x 10 mol 1.0 x 10 molL L的铜离子对磷光信的铜离子对磷光信号具有较好的选择性猝灭作用，可用于号具有较好的选择性猝灭作用，可用于生物条件下的铜离子传感。生物条件下的铜离子传感。三）、结论:在优选的条件下合成的生物兼容性46五五、光纤纳米探针、光纤纳米探针光纤传感器是当分子识别元件与底物光纤传感器是当分子识别元件与底物(待待测物测物)特异结合后特异结合后,产生可以输出的特征光学产生可以输出的特征光学信号信号(荧光、颜色变化等荧光、颜色变化等),),从而分析检测待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，能够监测微环境质，能够监测微环境(如如:细胞、亚细胞结构细胞、亚细胞结构)中各成分浓度的渐变以及其在空间的不均中各成分浓度的渐变以及其在空间的不均一性。一性。其主要包括光纤荧光生物传感器、光其主要包括光纤荧光生物传感器、光纤免疫传感器、纤免疫传感器、分子信标传感器分子信标传感器 、无转换、无转换器的细胞内生物传感器等。器的细胞内生物传感器等。五、光纤纳米探针光纤传感器是当分子识别47一）一）光纤纳米荧光传感器光纤纳米荧光传感器工作原理：工作原理：在光纤头部固定荧光剂在光纤头部固定荧光剂,荧光剂与质子发生可荧光剂与质子发生可逆反应时逆反应时,引起试剂相光学性质的变化引起试剂相光学性质的变化,光变信光变信号由光纤传输号由光纤传输,测定荧光强度的变化测定荧光强度的变化,以检测定以检测定底物浓度或底物浓度或PHPH值。值。一）光纤纳米荧光传感器48制作方法：制作方法：1 1）将光纤用光纤拉制仪制成头部直径为）将光纤用光纤拉制仪制成头部直径为10010010001000的光纤探针；的光纤探针；2 2）用真空蒸发器在光纤表面镀上铝；）用真空蒸发器在光纤表面镀上铝；3 3）将暴露的光纤头部硅烷化。）将暴露的光纤头部硅烷化。4 4）在光纤头部结合上一种选择性荧光染）在光纤头部结合上一种选择性荧光染料聚合物；料聚合物；5 5）传感器性能检测）传感器性能检测(包括检测范围、响应时间、包括检测范围、响应时间、使用寿命、稳定性等使用寿命、稳定性等)。制作方法：49特特 性：性：该纳米传感器响应时间为该纳米传感器响应时间为300300,比传比传统的光纤传感器响应时间缩短统的光纤传感器响应时间缩短1%1%以上以上,浓浓度检测下限低于传统传感器六个数量级。这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些特性使之适宜于对单个细胞和亚细胞结构的检测。的检测。特性：50 等人构建了一种胶体金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。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该传感器头部直径为200200,包被了特异性结包被了特异性结合的亚铁细胞色素合的亚铁细胞色素和相应的荧光染料。和相应的荧光染料。实验者以此传感器检测小鼠巨噬细胞内水实验者以此传感器检测小鼠巨噬细胞内水平平,检出限为检出限为20201 1,响应时响应时间为间为0.50.5。等人构建了一种胶体金纳米传感器。51二）光纤纳米免疫传感器二）光纤纳米免疫传感器光学免疫传感器光学免疫传感器是将光学与光子学技术应是将光学与光子学技术应用于免疫法用于免疫法,利用抗原抗体特异性结合的性质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出信号的一类传感器.这类传感器将传统的免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疫测试法与光学、生物传感技术的优点集为一身身,使其鉴定物质具有很高的特异性、敏感性使其鉴定物质具有很高的特异性、敏感性和稳定性。和稳定性。光纤纳米免疫传感器光纤纳米免疫传感器是在其基础上将敏感是在其基础上将敏感部制成纳米级部制成纳米级,既保留了光学免疫传感器的诸既保留了光学免疫传感器的诸多优点多优点,又使之能适用于单个细胞的测量。又使之能适用于单个细胞的测量。二）光纤纳米免疫传感器光学免疫传感器是将光52 等人成功地研制出一种用等人成功地研制出一种用于检测的光纤纳米免疫传感器于检测的光纤纳米免疫传感器,传传感器头部的生物探针上结合了特异性单感器头部的生物探针上结合了特异性单克隆抗体克隆抗体,通过抗原抗体特异性结合通过抗原抗体特异性结合,能能够检测单个细胞内的生物化学物质。够检测单个细胞内的生物化学物质。等人成功地研制出一种用于检测的光纤53制作方法：制作方法：首先首先,用光纤拉制仪将石英光纤拉得极为细用光纤拉制仪将石英光纤拉得极为细小小(10(10100100)的探针的探针,;,;然后将光纤头部硅烷化然后将光纤头部硅烷化,为抗体产生黏附为抗体产生黏附位点，将特异性识别并结合的抗体结位点，将特异性识别并结合的抗体结合到光纤头部合到光纤头部;随后将光纤全长随后将光纤全长(结合了特异性抗体的光纤结合了特异性抗体的光纤头部除外头部除外)镀银以防止光漏出。镀银以防止光漏出。制作方法：54在专用于单细胞操作在专用于单细胞操作的的显微操纵仪显微操纵仪/显微注显微注射器上进行细胞穿刺及射器上进行细胞穿刺及检测实验，用检测实验，用细胞培养细胞培养箱箱使操纵台温度保持在使操纵台温度保持在实验细胞所需的实验细胞所需的37,37,使用使用光电倍增管光电倍增管记录记录与抗体结合后产生与抗体结合后产生的荧光。该传感器的最的荧光。该传感器的最低检出限是低检出限是1010-21-21。检检 测测 方方 法：法：检测方法：55纳米探针与诊断技术课件56 特特 点：点：1）能进行定量检测；）能进行定量检测；2）能实时监测抗原抗体反应）能实时监测抗原抗体反应,无需进行无需进行分离步骤分离步骤,便于抗原抗体反应的动力学分析；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）具有更高的特异性；由于抗原抗体反应是高度特异性的应是高度特异性的,从而减少了环境中的非特从而减少了环境中的非特异性干扰；异性干扰；4）能用于检测传统光学免疫传感器无法）能用于检测传统光学免疫传感器无法检测的细胞内物质。检测的细胞内物质。特点：57三）分子信标生物传感器三）分子信标生物传感器 原原 理理：将一短核苷酸序列端点标记可发荧光的将一短核苷酸序列端点标记可发荧光的试剂试剂,当此结构与配对的短核苷酸序列结合时当此结构与配对的短核苷酸序列结合时,则能则能量转移而产生特征光学信号量转移而产生特征光学信号,通过光检测探头传递至通过光检测探头传递至光检测器构成传感器。光检测器构成传感器。三）分子信标生物传感器原理：58这类传感器中较为典型的是光纤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经生化反应产生的特征光学信号,通过光纤经通过光纤经光检测器检测光检测器检测,从而测定出杂交分子从而测定出杂交分子(含目的基含目的基因的量）。因的量）。其优点是检测杂交反应后产生的特征光信其优点是检测杂交反应后产生的特征光信号号,选择性强选择性强,易于排除杂交过程中非特异性吸易于排除杂交过程中非特异性吸附的干扰附的干扰,测定准确测定准确;因不采用放射性同位素标因不采用放射性同位素标记记,安全性好安全性好。这类传感器中较为典型的是光纤生59LiuLiu等等 将生物素化的将生物素化的DNADNA分子信标固定在光分子信标固定在光纤表面，制成了渐消逝波激发的纤表面，制成了渐消逝波激发的DNADNA分子信标分子信标生物传感器。采用光纤针尖端固定分子信标直生物传感器。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接激发，利用增强型电感耦合器(ICCD)(ICCD)获得的获得的光纤针尖图像，可以监测杂交的动力学过程。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对溶液中的多种DNADNA进行同时分析检测进行同时分析检测Liu等将生物素化的DNA分子信标固定在光60PerlettePerlette等等 也利用也利用微注射法引入分子信标，微注射法引入分子信标，对单个活细胞中的对单个活细胞中的RNARNA进行了检测，并利用进行了检测，并利用ICCDICCD成像系统得到了一成像系统得到了一系列反应分子信标与系列反应分子信标与RNARNA结合的荧光图像，结合的荧光图像，结果表明，利用分子信结果表明，利用分子信标可以有效地实时检测标可以有效地实时检测活细胞中的活细胞中的RNARNA及研究及研究RNARNADNADNA的杂交过程。的杂交过程。Perlette等也利用微注射法引入分子信标61方晓红研究的生物传感器方晓红研究的生物传感器 方方晓晓红红，现现任任中中国国科科学学院院化化学学研研究究所所研研究究员员，博博士士生生导导师师。近近年年来来一一直直致致力力于于发发展展用用于于分分析析和和表表征征蛋蛋白白质质，DNADNA等等的的生生物物化化学学分分析析法法。以以将将纳纳米米技技术术和和生生物物技技术术相相结结合合为为研研究究角角度度，发发展展在在单单分分子子和和单单细细胞胞水水平平上上的的高高灵灵敏敏度度的的的的生生物物医医学学分分析析方方法法。在在单单分分子子光光学学成成象象和和研研制制用用于于DNADNA，蛋蛋白白质质活活体体检检测测的的新新型型荧荧光光探探针针，亚亚微微米米至至纳纳米米级级光光学学生生物物传传感感器器等等方方面面取取得得了了一一些些具具有国际前沿水平的成绩。有国际前沿水平的成绩。方晓红研究的生物传感器方晓红，现任中国科学院化学62 主要成果有：主要成果有：建建立立了了单单分分子子荧荧光光成成像像系系统统；首首次次将将单单分分子子技技术术与与光光纤纤技技术术结结合合，实实现现了了利利用用光光纤纤探探针针进进行行单单分分子子检检测测及及CCDCCD成成像像的的新新方方法法。这这种种方方法法简简单单有有效效,并并可可结结合合光光纤纤生生物物传传感感器器技技术术，用用于于研研究究在在单单分子水平上生物分子相互作用。分子水平上生物分子相互作用。主要成果有：63 开开发发了了新新型型DNADNA探探针针“Molecular Molecular Beacon”Beacon”的的固固定定化化方方法法。Molecular Molecular Beacon Beacon 是是一一种种带带有有荧荧光光基基团团的的DNADNA分分子子，它它具具有有背背景景信信号号低低，灵灵敏敏度度高高，特特异异结结合合选选择择性性强强的的优优点点。利利用用这这种种固固定定化化方方法法制制成成的的亚亚微微米米至至纳纳米米级级光光纤纤生生物物传传感感器器,纳纳米米颗颗粒粒传传感感器器及及DNADNA阵阵列列传传感感器器在在基基因因诊诊断断，基基因因治治疗疗，新药研制方面有很广泛的应用前景。新药研制方面有很广泛的应用前景。开发了新型DNA探针“MolecularBe64 首首次次将将Molecular Molecular Beacon Beacon DNADNA探探针针用用于于DNADNA、蛋蛋白白质质相相互互作作用用的的研研究究。开开辟辟了了定定量量分分析析DNADNA、蛋白质相互作用的新途径。、蛋白质相互作用的新途径。首首次次提提出出并并实实现现了了将将Molecular Molecular BeaconBeacon与与AptamerAptamer技技术术相相结结合合，发发展展全全新新的的适适合合于于蛋蛋白白质质研研究究的的Molecular Molecular Beacon Beacon Aptamer Aptamer 蛋蛋白白质质探探针针，它它们们能能有有选选择择性性的的结结合合特特定定蛋蛋白白质质，用用于测定体内蛋白质和研究其功能。于测定体内蛋白质和研究其功能。首次将MolecularBeaconDNA探65 发发展展了了多多种种提提高高毛毛细细管管电电泳泳蛋蛋白白质质，DNADNA分分离离分分析析柱柱效效的的新新方方法法，如如锥锥型型毛毛细细管管等等电电聚聚焦焦法法等等。在在各各类类期期刊刊杂杂志志上上发发表表学学术术论论文文3030余余篇篇，其其中中有有关关光光纤纤探探针针单单分分子子成成像像的的论论文文在在美美国国分分析析化化学学(Anal.Chem.)(Anal.Chem.)上上发发表表后后，受受到到美美国国光光学学学会杂志学会杂志Photonics SpectraPhotonics Spectra的专访。的专访。发展了多种提高毛细管电泳蛋白质，DNA分离分析柱66p经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量pStudyConstantly,AndYouWillKnowEverything.TheMoreYouKnow,TheMorePowerfulYouWillBe写在最后经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量写67感谢聆听不足之处请大家批评指导Please Criticize And Guide The Shortcomings结束语讲师：XXXXXX XX年XX月XX日 感谢聆听结束语讲师：XXXXXX 68