金纳米棒:性能、制备、修饰、生物成像技术及应用

随着生物医学的发展,对生物成像技术和成像分辨率的要求越来越高,纳米材料和技术被越来越多地应用到生物医学领域.各向异性的金纳米棒由于具有较高的电子密度、较大的吸收截面、特殊的表面等离子共振光学特性、优良的生物相容性和化学稳定性而被广泛应用于生物成像领域.本文结合本课题组在该领域的研究经验,综述了金纳米棒的制备方法、光学性能和表面修饰方法;并从金纳米棒局部等离子共振特性出发,综述了金纳米棒的暗场散射成像、双光子荧光成像、光声断层成像、光学相干断层扫描、X射线计算机断层扫描、表面增强拉曼散射成像等生物成像技术.同时阐述了金纳米棒在生物成像、医学诊断和联合治疗等领域中的应用进展.     

三磷酸腺苷与正电金纳米颗粒的配位作用及其等离子体共振吸收定量测定

在pH8.0的Tris-HCl介质中,三磷酸腺苷(ATP)能诱导十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)包被的正电金纳米颗粒(AuNPs)聚集,引起其表面等离子体共振吸收及等离子体共振散射变化.通过扫描电子显微镜、动态光散射及Zeta电位表征了金纳米颗粒的聚集,讨论了ATP与金纳米颗粒的结合模式,确定了三磷酸腺苷与正电金纳米颗粒的配位作用.在此基础上建立了表面等离子体共振吸收定量检测ATP的方法.方法的线性范围为4.0~80μmol/L,检出限为0.82μmol/L.相同浓度的ADP,AMP,UTP,CTP和GTP不干扰测定.方法用于人体尿样ATP的检测,回收率在94.4%~123%之间,相对标准偏差RSD小于2.5%.与传统ATP检测方法相比,该方法简单快速,选择性好.     

基于金纳米棒基因探针对多元基因的识别与检测

通过晶种生长法制备长径比分别为4:1 和8:1 的金纳米棒, 分别在其表面修饰上抑癌基因p53 和pTEN 2 种不同序列的模型基因片段, 构建金纳米棒基因探针, 这两种基因探针分别于800 和1100 nm 处有2 个近红外吸收峰. 基于探针基因识别靶基因时, 金纳米棒的纵向等离子共振吸收峰吸光度的变化, 对2种靶基因片段混合体系建立特异性识别及检测方法. 结果表明, 在pH 为7.0 的PBS 缓冲溶液中, NaCl 浓度为0.2mol/L 时, 在靶基因片段的浓度为3.0~9.0 nmol/L 范围内, 金纳米棒的纵向等离子共振吸收峰的变化与靶基因的浓度成线性关系, 检出限分别为1.6 和1.2 nmol/L. 实现了在同一混合体系中同时对两种靶基因片段的特异性识别及检测.     

基于磁小珠-DNA-碳纳米管三明治组装体的光散射信号检测丙型肝炎病毒基因序列

基于碳纳米管光散射和磁小珠易分离特性, 以丙型肝炎病毒的一段相关基因序列为实例, 通过检测磁小珠-DNA-碳纳米管组装形成的三明治结构产生的光散射信号建立了一种简便、快速、灵敏、免标记检测病毒基因序列的方法. 由于单链DNA能通过π-π共轭缠绕在多壁碳纳米管表面, 而双链不能, 因而将丙肝病毒的一段相关DNA探针通过共价偶联修饰的磁小珠就能与多壁碳纳米管结合形成三明治结构, 而当有靶物DNA存在时, 因修饰在表面的DNA探针与靶物DNA进行特异性杂交阻碍三明治结构的形成. 测定通过磁性分离三明治结构后上清液的光散射信号, 发现在295 nm处的光散射强度与1.0×10^-6~4.0×10^-8 mol/L靶物DNA呈现良好的线性关系, 检测限(3σ)为40 nmol/L (n=10).     

瑞利光散射及其在生物化学分析中的应用研究

对瑞利光散射的理论基础及其在生物化学分析中的应用进行了较全面的介绍。其中讲述了共振强的瑞利光散射和谱和普能瑞利光散射之间的联系和区别,它们在生物大分子测定方面的应用以及两者的特点和测定过程中的影响因素等。     

聚合物电解质包裹金核银壳纳米棒制备双模式光学细胞成像探针

报道了一种新型的荧光及表面增强拉曼散射(SERS)双模式光学成像探针. 该探针以金核银壳纳米棒为SERS增强基底, 其表面标记拉曼分子产生SERS信号. 随后通过层层吸附的方法在标记了拉曼分子的金核银壳纳米棒表面包裹聚合物电解质. 最后在聚合物电解质层上连接异硫氰酸荧光素产生荧光信号. 将探针置入HeLa细胞, 实现了荧光、SERS双模式成像. 该探针具有以下优点: (1) 能产生荧光、SERS两种信号, 实现双模式光学成像; (2) 金核银壳纳米棒具有优异的SERS增强能力, 使得探针进入活细胞后仍能提供高信噪比的SERS信号; (3) 聚合物电解质在形成隔离层避免荧光信号被金属淬灭的同时, 提高了探针的生物兼容性. 这种双模式光学成像探针在药物输运和肿瘤靶向等研究中具有重大的应用前景.     

钯纳米粒子体系中的近场耦合与SERS效应

利用广义米氏散射理论(Generalized Mie)从理论上系统研究了球形钯纳米粒子二聚体的线性光学性质及其表面增强拉曼散射效应. 计算表明, 粒子间的近场耦合效应对粒子对的吸收、散射和消光光谱影响显著, 其表面等离子体激元共振峰的位置随粒子间隔的变小而显著红移. 在耦合效应和尺寸效应的共同作用下, 钯纳米粒子二聚体中“热点”位的最大SERS增强因子可达到107~108, 表面平均SERS增强因子可达105~106. 通过对远场和近场的对比研究, 发现消光谱与粒子间的近场增强谱的谱型大致相同, 但消光谱的极值峰位与SERS的最大增强峰位之间存在一定的偏离, 这显示了表面等离子激元共振对远场和近场的不同影响, 我们对此进行了讨论. 相关结果对揭示远场与近场的关联性及探索过渡金属体系中表面增强散射的电磁场增强机理有较重要的科学意义.     

扑尔敏与赤鲜红的荧光猝灭和共振散射增强作用

在pH 4.4的BR缓冲介质中, 扑尔敏(CPM)与赤鲜红(ET)相互作用形成离子缔合物, 导致荧光和同步荧光猝灭, 以及共振瑞利散射(RRS)的显著增强并产生新的RRS光谱, 最大RRS峰位于578 nm附近. 赤鲜红的荧光猝灭程度及共振散射增强程度与扑尔敏浓度成线性关系, 线性范围分别为0.24~8.0 μg·mL^-1和0.008~3.6 μg·mL^-1. 将方法用于尿样中扑尔敏含量的快速测定, 结果满意. 此外, 讨论了共振散射增强机理及荧光猝灭的原因.     

蛋白质与十二烷基硫酸钠相互作用的光散射偏振特性

在酸性缓冲溶液中, 蛋白质因带正电荷能与阴离子表面活性剂作用产生同步光散射(synchronous light scattering, SLS)信号增强. 以人血清白蛋白(HSA)和免疫球蛋白(IgG)与十二烷基硫酸钠(SDS)作用为例, 利用偏振同步光散射(polarized synchronous light scattering, PSLS)信号, 建立了同步光散射偏振度(P)区分上述两种相对分子量相差较大的蛋白质(HSA 66 kDa; IgG 150 kDa)与SDS作用的体系. 所获结论与动态光散射 (dynamic light scattering, DLS) 粒径分析的数据相一致.     

单颗粒等离子激元生物传感技术

贵金属纳米颗粒的表面等离子共振(SPR)效应的研究已经有近60年的历史,近年来纳米等离子激元用于生物分析传感应用取得了长足的进步.本文系统地阐述了等离子激元的形成原理与单颗粒水平分析检测技术原理,从直接传感、等离子共振能量转移(PRET)、SPR耦合、生物成像与治疗等方面概括介绍了目前利用等离子激元进行生物分析传感、生物成像与诊疗等方面的应用研究.生物传感检测技术在单分子检测、单颗粒成像与分析等领域具有重要的科学意义与应用前景.     

白藜芦醇双向调节核转录因子-κB活化和HEK293细胞增殖

白藜芦醇(resveratrol, Res)是一种广泛存在于植物中的多酚化合物, 临床前研究显示其具有抗氧化、抗炎以及潜在的抗肿瘤作用. 为进一步了解白藜芦醇临床应用的可能性和安全性, 研究了其对于人胚肾HEK293细胞增殖的影响及其可能的作用机制. 利用台盼蓝拒染方法测定细胞增殖活性, PI染色-流式细胞分析法测定细胞周期和细胞凋亡, 利用稳定转染的HEK293/luc-κB细胞株和荧光素酶报告基因法测定细胞内核转录因子-κB(NF-κB)活化水平, 酶联免疫法测定细胞培养液中人白介素-8(IL-8)含量. 结果表明, 经10^-7 mol/L白藜芦醇处理48 h, HEK293细胞增殖明显增加. 在联合10 ng/mL 的肿瘤坏死因子-α(TNFα)处理时, 10^-8~10^-7 mol/L白藜芦醇(24 h)和10^-6 mol/L白藜芦醇(48 h)也可明显促进细胞增殖. 10^-4 mol/L白藜芦醇单独或联合处理均明显抑制细胞生长. 处理24 h时, 10^-7 mol/L白藜芦醇显著下调内源性和TNFa诱导的NF-κB活化, 但在10^-4 mol/L浓度下明显上调NF-κB活化. 10^-4 mol/L 白藜芦醇还明显增加培养液中IL-8含量, 引发明显的S期细胞周期阻滞并伴随轻微细胞凋亡; TNFα对10^-4 mol/L白藜芦醇的上述活性具有协同作用. 由于白藜芦醇可以双向调节体外细胞增殖, 对其可能的临床应用应予全面评价.     

靶向性Fe3O4@Au纳米粒子在光声/核磁双模成像中的应用

多模互补成像可以提高医学诊断精度. 多模探针是联合各个成像模式的桥梁, 这意味着发展多模式、多功能的纳米探针是非常必要的. 本文发展了一种具有靶向性的四氧化三铁核/金壳纳米粒子(Fe₃O₄@Au)作为核磁和光声双模成像的探针, 实验证明Fe₃O₄@Au纳米粒子具有超顺磁性, 可以增强T₂序列的核磁信号. 此外, 该探针同时具有光学吸收性质, 可以增强光声信号. 在其表面修饰Integrin a_vb₃单克隆抗体后, 该探针对U87-MG肿瘤细胞具有选择靶向性. 基于Fe₃O₄@Au纳米粒子的核磁/光声双模成像将在肿瘤诊断中发挥重大作用.     

稀土离子对体外兔成熟破骨细胞骨吸收功能的影响

用在骨片上培养日本大耳白兔破骨细胞评价破骨细胞性骨吸收功能的方法研究了不同稀土离子(Ln³⁺)的影响, 为定量评价破骨细胞活性, 用显微摄影结合计算机图像分析测定骨吸收造成的陷窝数目及表面积, 并用原子吸收分光光度法测定溶出的钙. 另外用扫描电子显微镜观察吸收陷窝的形态. 结果表明浓度为1.00×10^-5, 1.00×10^-6和1.00×10^-7 mol/L的La³⁺, Sm³⁺和Er³⁺及1.00×10^-5和1.00×10^-6 mol/L的Nd³⁺, Gd³⁺和Dy³⁺均能抑制破骨细胞活性(P<0.01), 而且骨吸收陷窝数目及表面积呈对Ln³⁺浓度依赖性的减少. 但是, 当浓度降低到La³⁺, Sm³⁺和Er³⁺为1.00×10^-8 mol/L和Nd³⁺, Gd³⁺和Dy³⁺为1.00×10^-7 mol/L时, 陷窝数及表面积转而增多, 表现为提高破骨细胞的骨吸收功能(P<0.01). 当Nd³⁺, Gd³⁺和Dy³⁺的浓度进一步降低为1.00×10^-8 mol/L时, 对该功能无显著影响(P>0.05). 所得结果提示稀土离子Ln³⁺对体外破骨细胞性骨吸收的影响呈依赖浓度的两面性, 也与稀土物种有关.     

镧在菠菜叶绿体中的分布及其对光合作用的影响

在体研究了稀土元素镧(La)对菠菜叶绿体Hill反应活力、Mg²⁺-ATPase和Ca²⁺-ATPase活性的影响, 并用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)测定了叶绿体各亚细胞器中La的含量. 实验结果表明, 低(15 mg·L^-1)、中(30 mg·L^-1)浓度的LaⅢ对菠菜叶绿体Hill反应活力、Mg2+-ATPase和Ca2+-ATPase活性有明显的促进作用, 而高浓度时(60 mg·L^-1)则表现出显著的抑制作用; 叶绿体中大部分La位于光系统Ⅱ(PSⅡ)中, 占叶绿体中La总量的90%左右. 利用排阻色谱-紫外/电感耦合等离子体质谱联用技术(SE-HPLC-UV/ICP-MS)对La在PSⅡ中的存在点位进行了研究, 发现La在PSⅡ中有两种不同的结合点位: La不仅可以部分竞争取代PSⅡ中与叶绿素结合蛋白相结合的Mg, 而且还可能竞争结合到PSⅡ中Ca和Mn的结合点位上来影响光合作用效率.     

金纳米管结构的等离子体光子学性质

应用离散偶极子近似方法计算了金纳米管结构的消光光谱及其近场电场分布, 并与金纳米柱的计算结果进行了比较. 结果发现, 当以等离子体共振峰波长入射时, 管状纳米结构拥有更大面积的强电场分布. 故管状纳米结构更适合作为表面增强拉曼散射的衬底, 用于生物分子或者化学分子的探测. 另外, 我们还研究了纳米管结构参数对其等离子体共振峰的影响, 以调节等离子体共振峰的位置, 从而满足其在表面增强拉曼散射等等离子体光子学方面的应用.     

纳米TiO2膜对水中微量微囊藻毒素的光催化降解

富营养化水体中的微囊藻毒素是一种传统净水技术难以去除的致癌毒素. 研究了低光强辐照条件下, 溶胶凝胶法制备的纳米TiO₂薄膜光催化降解水中微量微囊藻毒素Microcystin-LR. 固相萃取结合高效液相色谱方法的分析结果表明: 自然条件下浓度水平的Microcystin-LR (μg/L)能够有效地被光催化氧化分解, 降解受到pH值、毒素初始浓度和光照强度的影响. pH 4左右时降解速度最快, 辐照强度为400 μW/cm2条件下120 min内浓度为20 μg/L的毒素的降解率达到95%. 采用Langmuir-Hinshelwood机理研究了微量Microcystin-LR的光催化降解, 降解模式符合准一级动力学方程. 在pH 6.7和辐照强度为400 μW/cm²条件下, 浓度为20 mg/L的毒素的准一级降解速率常数和半衰期分别为0.0157 min^-1和44 min. 在200~1000 μW/cm²的UVA光照变化范围内, 降解速率随辐照强度的0.82次幂值增长, 相应表观量子效率为5.19×10^-8 g/J.     

金纳米笼状结构的可控合成及应用研究新进展

近几年来,为了提高对早期癌症监测和诊断的准确性,科学家们致力于研究和开发识别健康组织和癌症组织的生物医学成像技术[1,2].与此同时,造影剂的应用研究使得这些成像技术的灵敏度得到了进一步提高[3].金纳米颗粒能够在特殊波长对光进行吸收和散射[4];这种特殊的局域表面等离子体共振(LSPR)现象可以增强某些特定组织的光信号特征,从而提高成像的对比度,因此在医学光成像上具有潜在的应用前景.     

利用金属纳米线表面等离子体的传导实现表面增强拉曼散射的远程激发

由于表面等离子体共振,贵金属纳米颗粒在入射光的激发下可以产生很强的局域电场,当两个贵金属纳米颗粒或者贵金属纳米颗粒与纳米线相距很近时,在其之间的间隙会产生巨大的电磁场增强作用,从而增强分子的拉曼散射强度,甚至能探测到单个分子的拉曼信号.而表面等离子体除了可以在金属平面上传播外,也可以在贵金属纳米线上传播.当将激光束聚焦到银纳米线的     

壳隔离纳米颗粒增强拉曼光谱方法

<正>表面增强拉曼散射(SERS)是一项强有力的光谱探测技术,相对于单分子荧光光谱,它可以提供非破坏性、超灵敏、单分子水平的探测信息.可是,基于银、金、铜等金属衬底实现拉曼效应对表面粗糙和纳米颗粒形状的需求,限制了SERS的实际应用.一些方法扩展了这项技术可针对更广泛的衬底,最为显著的是探针增强拉曼光谱探测方法(TERS).利用该项技术,需探测物质可以位于一般衬底上,衬底上的纳米金探针起到了拉曼信号放大器的作用。     

CO2浓度对中肋骨条藻的光合无机碳吸收和胞外碳酸酐酶活性的影响

为探讨低光照(30 μmol·m^&#8722;2·s^&#8722;1)和高光照(210 μmol·m^&#8722;2·s^&#8722;1)条件下海水CO₂浓度变化对海产硅藻中肋骨条藻(Skeletonema costatum)的生理影响, 对该藻生长及其光合CO₂吸收和胞外碳酸酐酶(CA_ext)活性进行了测定, 结果表明, 在低光条件下, CO₂浓度变化(4~31 μmol/L CO₂)对该藻的生长和净光合速率的影响比高光条件大. CA_ext在12和31 μmol/L CO₂时没有检测出活性; 但在4 μmol/L CO₂时则有明显活性, 且其高光条件下的活性是低光条件下的2.5倍. 细胞光合作用对CO₂的亲和力随着培养液中CO₂浓度升高而下降. 另外, 高光条件下细胞的光合CO₂亲和力明显高于低光条件. 这些结果表明, CA_ext的活性和光合CO₂亲和力不仅受CO₂浓度而且受到光照强度的调节; 在高光照条件下, 即使CO₂浓度较低, 细胞的高CA_ext活性和光合CO₂亲和力也能够提供充足的CO₂供其光合固碳所需.