纳米材料科学在超灵敏生物检测中的应用

   等离子纳米材料由于其独特可调节的光学性质而被广泛用于食品安全检测、生物医学等领域。近年来出现的新型纳米材料自组装技术及不同构型纳米组装体特殊的光学性质，同时对纳米自组装材料在生物超灵敏检测方面的应用进行了研究，并对纳米材料在光学传感检测方面的应用前景进行了展望。

   纳米材料的发展可分为三个阶段：

   第一阶段是1990年以前，主要是采用各种不同的方法合成各种纳米晶材料，研究该材料的表征方法并探索与其它常规材料不同的特殊性质;
   第二阶段是从1990年到1994年，人们开始探索何如通过已经研究出来具有特殊性质的纳米材料构建新型纳米复合材料;
   第三阶段是从1994年到现在，这一阶段人们开始按照自己的意愿以单个纳米颗粒作为基本元素按照一定的空间排布组装具有空间结构的新型材料， 即纳米组装体。
   纳米组装体系的出现实现了费曼的伟大预言，是纳米材料科学研究新阶段开始的成功标志， 也是目前纳米材料领域研究的热点问题。
   1、等离子体纳米材料
    等离子体又被称为电浆，是由一系列的原子在失去部分电子后及原子被电离后产生的正负电子构成的离子化气态状的物质。
 　等离子纳米材料主要是由贵金属纳米粒子及其在纳米尺度的约束下形成的不同形状的贵金属纳米粒子组装结构，其中主要包括金纳米粒子、金纳米棒、银纳米粒子和铜纳米粒子等不同形状不同材料构成的纳米粒子及其特定组装结构。
 　金纳米粒子是目前应用最为广泛的一种等离子体纳米材料。一方面是由于金纳米粒子具有非 常高的消光系数，如 13 nm金纳米颗粒的消光系数高达 2.7×10^8 mol/(L·cm)，比一般的染料分子高1000倍以上，根据 Beer-Lambert 定律可知，金纳米粒子所能达到的检测限远低于染料分子。
 　另一方面，由于金纳米粒子体系在不同状态下会有不同的颜色变化，因此金纳米粒子在可视化检测中占有重要的地位。
 　另外，由于金纳米粒子本身在细胞内不会产生危害，并且具有很好的荧光性、导电性和催化性质等，基于金纳米粒子的组件已广泛应用于光学材料、生物传感器、小型化光学设备、光热治疗，以及癌症早期诊断及药物传递等领域。
 　2、纳米材料自组装技术
 　随着纳米技术的快速发展，如何利用单个纳米材料去营造具有独特的物理、化学、电磁学等性质的新物质体系己成为人们研究的热点问题。 纳米自组装技术是一种由下到上的组装方法，它可以将单个纳米材料组装成具有一维、二维或者三维空间构象的新型复合材料。
 　这类材料具有一定规则的几何外形，构象稳定，带有单个纳米材料所不具备的奇特的光电等性质，并且通过改变基本构成元素可以对纳米组装体的光学活性进行可控调节。
 　自组装过程并不是大量原子、离子、分子之间弱作用力的简单叠加，而是若干个体之间通过分子间特殊的相互作用，如静电吸引、氢键、疏水性相互作用等组装成有序的纳米结构，是一种整体的复杂的协同作用。
 　其中，利用分子模板将纳米材料组装成具有固定结构的组装体是目前研究最多的组装方式，可用于模板组装的物质主要有有机物、多肽、蛋白质、DNA等。
 　DNA origin 自组装技术构建金纳米粒子三维螺旋体的示意图
 　3、纳米自组装体的光学性质
 　纳米粒子光学性质受金属材料的尺寸、复合介电函数、材料的介电结构等多个条件的影响，其中材料尺寸和结构对吸收光谱的影响较大且比较复杂。
 　而当单个纳米粒子按照一定方式排列成具有特定几何构型的纳米组装体时，该材料会呈现出单个纳米粒子不具备的特殊的光学性质，其中纳米组装体圆二色性和表面增强拉曼散射效应是研究的热点问题。
 　圆二色性
 　手性材料在圆二色光谱的可见光区有很强的手性信号。在纳米材料领域，手性是按照纳米材料对光的偏转作用来定义的，若该材料能够使经过它的光偏转平面向右旋转，则该材料是右手性的;若向左旋转，则是左手性的;若无旋转作用则是无手性的。
 　目前，对于纳米自组装结构的手性来源主要有两种解释：
 　1)用于组装纳米材料的手性分子的手性转移。DNA、蛋白质、多肽等手性分子，在电磁场的作用下，可以诱导非手性纳米粒子产生手性信号，该手性信号的强度明显比手性配体产生的信号强;
 　2)纳米组装体自身的结构手性。当纳米粒子按照不对称四面体或者螺旋体结构排列时，颗粒之间会产生很强的偶极–偶极相互作用，从而在纳米材料表面等离子共振峰处产生强烈的手性信号。
 　手性纳米自组装结构以其独特的光学活性及其巨大的潜在应用吸引了科研界的极大关注，是目前研究的热点之一。
 　DNA origin 技术用于构建手性金纳米粒子螺旋结构示意图及手性原理图
 　表面增强拉曼散射
 　金和银纳米颗粒具有很强的表面等离子拉曼增强效果，因此被广泛用于拉曼散射检测技术的背底材料。
 　4、纳米自组装体的超灵敏生物检测
 　当单个纳米粒子组装成具有固定几何构型的纳米结构时， 该材料会表现出独特的光学性质，并且随着外界条件的改变，纳米材料的光学信号也会发生很明的变化。基于这一事实，通过加入外源性物质改变纳米自组装体的光学信号从而用于食品、环境、生物等领域的检测是目前研究的热点问题。
   比色法传感器
   金纳米粒子的一个显著特点就是其溶液的颜色会随着分散状态的改变而发生变化，当金纳米粒子由分散逐渐聚集的时候，由于粒子间的表面等离子共振偶合会导致其颜色由酒红色转变成蓝灰色。因此，这种金纳米粒子溶液外在颜色的变化可用于比色法生物传感器的构建。
   Chen xiaoyuan 等利用金纳米溶液的颜色变化建立了肠道病毒71型(EV71)的比色传感器。先将Ab1 固定在酶标板内，BSA 封闭，再加入不同浓度目标物(EV71)，随后加入磁珠富集的 Ab2-乙酰胆碱酶形成三明治模式；
 　　当向体系中加入乙酰胆碱和柠檬酸修饰的金纳米粒子时，乙酰胆碱酯酶(AChE)催化乙酰胆碱水解生成硫代胆碱，硫代胆碱带正电荷可以使的表面带负电荷的金纳米粒子聚集，通过纳米金的紫外吸收比值建立EV71 的检测标准曲线。 该方法的灵敏度可以与PCR 相媲美。
 　手性传感器
 　手性纳米材料在圆二色谱的可见光区会产生强烈的手性信号，该信号对组装体几何构型的变化十分敏感，即使很微小的变化都会引起圆二色光谱极大的不同。相比于其他纳米传感检测方法，利用手性信号作为检测信号，操作简单、快速、无污染，可用于食品、生物、医药等领域的超灵敏痕量检测。
 　Tang zhiyong 等人通过表面修饰DNA的金纳米棒，利用金纳米棒聚集产生的手性信号及DNA 的热敏感效应，首次建立了温度敏感的动态纳米手性材料。
 　Ma Wei 等通过PCR技术将金纳米棒组装成具有手性信号的 side-by-side 结构，并基于此结构建立了DNA 的超灵敏手性检测方法，LOD可达到3.7 amol/L。
 　另外，Wu xiaoling 等通过PSA的抗原抗体特异性识别组装了大金和小银的二聚体组装结构，建立了PSA的超灵敏手性传感器，LOD可达到15 zmol/L，是目前PSA的最低检测线。
 　基于 PCR 技术的金纳米棒自组装原理图
 　SERS 传感器
 　表面增强拉曼光谱(SERS)检测技术由于其高探测灵敏度、高分辨率、不破坏样品、可猝灭荧光、稳定性好及适合研究界面等特点，已广泛应用于环境、医药和生物检测等领域，并且已经实现系列目标物的传感检测。
 　这些目标物包括原子组成的离子、无机阴离子、病原标志物、生物代谢物甚至低亲和力的靶标分子和其他检测非常苛刻的生物目标物。拉曼光谱传感检测技术具有应用的多样性和广泛性，对各种生物、化学分析领域的分析目标物都有较大的检测潜能。
 　5、总结与展望
 　等离子纳米材料由于其独特可调节的光学性质而被广泛用于食品安全检测、生物医学等领域。
 　基于分子模板的自组装技术可以很好的控制纳米粒子的空间排布及组装体的结构外形，从而得到具有一维、二维、三维等不同几何构型的纳米组装体，使其在生物分子检测、医学成像等方面有着重要的应用价值。
 　纳米材料自组装技术及其在超灵敏生物检测中的应用