纳米金颗粒研究现状与发展前景
2011年11月第11期(总第156期)
广西轻工业
GUANGXI JOURNAL OF LIGHT INDUSTRY
化工与材料
纳米金颗粒研究现状与发展前景
刘杉杉
(吉林建筑工程学院基础科学部,吉林长春130000)
【摘
高表面能、高的表面活性而展现出小尺寸效应、表面效应和量子尺寸效应要】纳米金粒子由于具有大的比表面积、
光学、电学及生物技术等领域有着广泛的应用前景。介绍了纳米金颗粒的研究现状和发展前景。等特性,使其在催化、
免疫金探针【关键词】纳米金颗粒;
【中图分类号】TQ52【文献标识码】A
(2011)11-34-02【文章编号】1003-2673
1前言
纳米金颗粒是指尺寸在1-100nm 范围内的金粒子。一般
3纳米金颗粒的表征
透射电子显微镜(TEM )是表征金纳米粒子最直观和可靠
几个世纪以前,纳米金为分散在水中的水溶胶,故又称胶体金。属颗粒就做为染料被广泛使用。大约在1600年,中世纪杰出的医生Parcelsus 用一种植物的醇提取物还原氯金酸制备得到“饮用金”,这就是纳米金。1857年,法拉第对纳米金作了系统的科学研究。他制备的金颗粒可以在数十年仍保持原有的性可使它由红质, 极为稳定, 并且发现在其中加入少量电解质后,
色变成蓝色,终至凝集为无色,而加明胶等大分子物质后便可阻止这种变化。这一重大发现奠定了纳米金颗粒在实际应用中的科学基础[1]。1939年,Kausche 和Ruska 把烟草花叶病毒吸附在金颗粒上,在电子显微镜下观察到金离子呈高电子密度,这一发现为纳米金在免疫电镜中的应用奠定了基础。1971年,Faulk WP 等人将纳米金颗粒与兔抗沙门氏菌血清结合,用直
[2]
电子难于穿过。因的一种方法。纳米金颗粒属于高致密颗粒,
此,通过TEM 不仅能得到纳米金颗粒的粒径,而且可以观察到它的真实形貌。
4纳米金颗粒探针在生物检测中的应用
纳米金颗粒作为特殊的标记物应用于生化分析可以追溯
到上个世纪70年代,Faulk 等将纳米金颗粒与兔抗沙门氏菌血清结合,检测沙门氏菌的表面抗原,由此开创了纳米金标记技术。纳米金颗粒可以和多种生物分子结合,可以与一些亲核试剂发生吸附,生成一些具有特殊功能的基团;还可以与氨基发生非共价键的静电吸附,与巯基生成强的共价键。金颗粒作为探针形成的标记物仍然具有与纳米金颗粒相似的光谱学性质,这为其在生物检测中的应用提供了依据。金标探针具有制化学性质稳定、易标记等特点,使金颗粒在生物化学及备简单、
医学方面有着很重要的应用,并且越来越被人们所重视。4.1胶体金颗粒用于DNA 的识别与检测
鉴于DNA 对生命体的重要性,对其检测显得尤为重要。Mirkin 研究组从1997年开始,将金颗粒与DNA 连接形成生物探针,取得了很好的效果,建立了金-DNA 探针检测体系,用于DNA 和蛋白的检测中。
1997年,Science 上报到了Mirkin 研究组应用金颗粒标记寡核苷酸并对靶标寡核苷酸进行检测[8]。用5' 端带有巯基的两种不相互补的核苷酸修饰13nm 金颗粒作为探针,采用Head-to-Tail (头-尾)模式对靶核苷酸进行检测。
Storhoff 将上一方法进行了改进,用24个碱基的靶DNA 和2个12碱基DNA 探针,采用Tail-to-Tail (尾-尾)的方式,对靶DNA 进行检测[9]。这种改进的方法对于DNA 的检测灵敏性和选择性都要取得很大的进展。
目前,基因芯片技术存在很多的问题,灵敏性和可靠性都有待于提高。目前比较成熟的基因芯片检测方法是采用荧光标记的激光扫描共聚焦显微技术,但是检测设备昂贵,很难大范围的推广。K. Kneipp 和L. A. Gearheart 等将拉曼光谱应用到对核苷酸的检测中,但是这些方法区别结构相似的核苷酸方面,存在一定的问题。鉴于多功能化的金探针具有高灵敏性,高选择性的优点,Cao 等将拉曼光谱检测的方法与金探针相结
接免疫细胞化学技术检测沙门氏菌的表面抗原,开创了纳米金标记技术。
随着纳米材料研究的不断深入,纳米金颗粒在生物技术领域中的巨大应用潜力已经得到了广泛的认同。纳米生物探针及生物分子其相应的检测技术受到了人们的高度重视。近年来,和球状金纳米粒子的杂化体系在多种生物分析中得到了广泛的应用,并取得了令人鼓舞的研究成果。金颗粒由于具有易于制备、易于生化修饰、密度高、介电常数高等特点,因此利用金纳米颗粒制备生物探针并进行生物分子检测研究,受到了人们的重视。
2纳米金颗粒的制备
纳米金颗粒具有制备方法简单, 粒径均匀,化学性质稳定
的特点。其制备的方法有许多,与大多数纳米粒子一样,主要可以分为物理法和化学法。
物理法制备金颗粒主要是通过各种分散技术将金直接转变为纳米粒子,主要包括真空沉积法[3]、激光消融法[4]等方法。但是物理方法对设备的要求较高,得到的粒子尺寸分布很广,大大的限制了这类方法的应用,远远没有化学方法应用广泛,正处在不断的发展中。
化学法是以金的化合物为原料,利用还原反应生成金纳米粒子,通过控制反应条件,来制备所需尺寸的颗粒。化学法主要包括:水相氧化还原法[5]、晶种法[6]、微乳法[7]、模板法等。
刘杉杉(1982-),女,吉林人,助教,研究方向:物理化学。【作者简介】
合,用于对靶序列的检测中。这种方法的优点不单是灵敏度高,更重要的是利用不同的荧光染料标记不同探针,根据染料在拉曼区域的特征峰不同,可以检测出混合液中含有的不同靶序列,这是可视灰度法所不能达到的。并且可以确定只有单碱基不同的两种靶序列的浓度,不仅达到定性检测,而且可以定量检测单碱基不同的混合液。将拉曼染料,金颗粒同时用于对DNA 的定性、定量检测中,开辟了新的检测手段。4.2胶体金颗粒在免疫分析中的应用
免疫是生物体识别清除抗原异物的一种生理性反应,免疫分析是通过抗体-抗原间的特异性识别来检验抗原、抗体、小分子药物的分析方法。提高分析方法的灵敏性是生物分析要达到的重要目标,高灵敏度的检测方法对于疾病的早期诊断和治基于抗体和抗原本身结合前后物理和疗起着非常重要的作用。
化学性质的变化建立的免疫分析方法为非标记免疫分析。但是,分析信号难以被检测,导致灵敏度很低。纳米技术的发展为发展革命性的高灵敏的生物传感器提供了全新的空间。纳米金颗粒的特殊性质,使其成为生物探针的代言人。4.2.1可视检测法
2002年,Ma 等在不采用任何检测仪器情况下,发展了一种高灵敏性的检测方法[10]。在硝酸纤维素膜上固定抗体,而后与待测抗原结合,再将10nm 金标抗体固定在膜上, 此时10nm 金颗粒作为晶种,HAuCl 4/NH 2OH ·HCl 作为生长溶液,进行原位扩增,扩增后的检测限可以达到10pg/ml。此种方法的优点在于,不需要使用任何昂贵的检测仪器,通过肉眼即可以观测到颜色的变化,确定阳性抗原的存在,并且获得了很高的灵敏性。
4.2.2生物条形码检测蛋白法
生物条形码检测法的特点是将条形码核苷酸引入对蛋白的检测试验中,通过对条形码的检测来实现对蛋白的识别,以此达到扩增作用,提高检测的灵敏性。
2003年,Mirkin 工作组将金-DNA 探针应用到了对抗原的检测中,将对前列腺癌和乳腺癌的检测有重要意义的前列腺抗原(PSA )作为分析对象,发展了一种以纳米颗粒为基础应用生物条形码DNA 检测靶蛋白质的方法。
2005年,Mirkin 工作组将上述检测方法应用到了对AD-)的检测中。Sto-DLs (amyloid-β-derived diffusible ligands
eva 等将这种条形码检测技术应用到了对多种癌症抗原混合体的检测中。
4.2.3荧光免疫分析法检测蛋白
2001年,Dubertret 等研究发现金颗粒的引入将会很大程度降低荧光强度,荧光淬灭远远大于没有金颗粒的体系,这一发现为后来的研究奠定了理论基础。Limei 等人将金颗粒增强荧光淬灭的作用应用到对α-fetoprotein 的检测中。4.2.4金颗粒的化学发光检测蛋白
1888年,Eilhardt 首次提出了化学发光(Chemilumines-cence ,CL )专业术语。金属离子对化学发光反应具有很好的催化性能,因此Aiping 等人将纳米金颗粒与发光体系结合应用到生物检测中。Yin 等人将电化学发光与金颗粒的生物检测结合到一起。比较了有纳米金颗粒固定和没有吸附纳米金颗粒的电极检测BSA 和IgG 结果,发现金颗粒的吸附大大提高了检
测灵敏度,大约提高在10-16倍。
将金颗粒的生物相容性以及对化学发光的催化和增强作用应用到生物蛋白的检测中已经取得了一定的成绩,还可以有更大的利用空间。4.2.5拉曼光谱检测蛋白
上世纪80年代,W eitz 等报道在表面增强拉曼散射中加入金属纳米粒子, 能增强拉曼峰的强度, 并将表面增强拉曼散射检测的灵敏度提高了3-5个数量级。
Cao 等将拉曼光谱应用到对蛋白的检测中, 采用三种不同此种的荧光染料标记三种不同的抗体,用于检测其相应的抗原。方法的优点在于根据不同拉曼染料的特征吸收峰,可以检测含有不同蛋白的混合液成分,检测环境与实际医学检测更相似。4.2.6紫外可见光谱法检测蛋白
He 等人将金颗粒引入对DNA 进行检测,发现SPR 检测中引入金颗粒与传统的非放大测定技术相比,可以使共振角漂移增加10倍,实现了DNA 杂交超灵敏检测。Lahav 等将SPR 法应用到对Avidin 的检测中,在基片表面功能化2.5nm 金颗粒,而后连接相应蛋白,通过目标蛋白连接前后紫外光谱的变化来进行检测。Nath 等人更系统的对上述检测方法进行了报道,用12-48nm 范围内的不同尺寸金颗粒在基片表面吸附,对Streptavidin-Biotin 进行检测,通过金颗粒光谱的变化达到对蛋白的检测。Hazarika 等在基片上固定抗体、抗原、金标抗体后,用金标DNA 对结果进行扩增。金标抗体上连接有核苷酸,用与其互补的核苷酸标记金颗粒,在金标抗体的外维形成了网状结构,对原检测结果进行了扩增,利用紫外可见光谱对其进行测量,大大提高了该体系的灵敏度。
5纳米金颗粒探针的应用前景及展望
标记分析法灵敏度提高的最终目标是实现超灵敏的单个
标记分子或单个粒子的检测。就目前而言,激光诱导的荧光检测已达到单分子的测定水平,但检测系统复杂,尚没有进入到日常的普通分析,如何采用更好的方法或较为简单的仪器也能达到同样的水平是目前研究的热门课题。提高检测的灵敏度,①标记物的选用;②采用信号放大的方有三个方面需要考虑:
法;③降低背景的信号。其中标记物的性质是决定灵敏度高低应具备安全灵敏(非放射性,发的最主要因素。就标记物而言,
光效率高)、化学性质稳定(长的使用寿命)、分子量小易于标记(可实现多个标记,标记化学反应简便或无需化学标记)、发光信号稳定长久便于检测。目前的发展尚没有达到较为理想的水平,还没有一种标记物同时都具备这几方面的良好性质,有较易于标记、灵敏度高,逐渐大的通用性。纳米金探针操作简单、
走进人们的视线中。相信随着纳米科技和纳米生物材料的不断发展和完善,纳米金颗粒独特的光学性质使它在生物分子检测和生物医学等领域中将会有着巨大的应用前景,能够对疾病的早期发现、早期治疗起到积极的作用。参考文献
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(下转第43页)
的输出端Y20、Y21、Y22所控制的KM18、KM19、KM20中间继电器助触头相接。DCM 为接点输入公共端,如图1所示。
车走行机构等功能由PLC 软件来实现。如图3所示。
图1电路原理图
4.1基本工作原理
根据龙门起重机的工作要求,电动机可分为正转和反转两个方向,同时按速度要求可分为低速、中速和高速等三个速度,采用变频器设定固定频率,按速度主令控制器发出的信号由PLC 控制转速的切换,PLC 连接原理图,如图2所示。
图3梯形图
5结论
龙门式起重机采用PLC 变频调速系统之后,通过改造和
应用得出了以下结论:
(1)电气系统得到了简化,电机运行平稳性,可靠性得到了提高;
(2)操作方便与维护简单,同时节约了大量电能,节支降耗,给企业带来了更大的经济效益。参考文献
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图2PLC连接图
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4.2PLC 设计
龙门式起重机主钩、副钩的起升,下降,大车走行机构和小
(上接第35页)
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