基于纳米金粒子的高灵敏度生物传感器应用

周沁宇 李雨桓 黄英才 刘崇敏

摘 要：电化学生物传感器的应用领域极为广泛，涉及环境监测、生命科学、药物筛选等行业。其包含的纳米金作为一种重要的金属，具有出色的物理和化学特性，并已被应用于电化学、催化、生物传感和DNA（脱氧核糖核酸）检测领域，从而解决行业内样品前处理复杂且耗时长、检测结果误差等问题。巨大的潜力证实其应用前景广阔，特别是当其结合用于制备纳米溶胶的新技术时，简单、快速和灵敏的结果提升了现代定量分析平台的精确度与应用效果。

关键词：纳米金;灵敏;传感器

中图分类号：TP212.3 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）09-0066-03

Abstract： The application fields of electrochemical biosensors are extremely wide， involving industries such as environmental monitoring， life sciences， and drug screening. As an important metal， the nano-gold contained in it has excellent physical and chemical properties and has been used in the fields of electrochemistry， catalysis， biosensing and DNA detection， so as to solve the problems of complicated and time-consuming sample pre-processing in the industry， and error in test results. The huge potential proves its broad application prospects， especially when it is combined with new technologies for preparing nanosols， the simple， fast and sensitive results enhance the accuracy and application effects of modern quantitative analysis platforms.

Keywords： nano gold;sensitive;sensor

纳米金一类的贵金属纳米材料凭借表面等离子共振（SPR）效应表现出独特的物理和化学性质[1]，它已经成为纳米传感、分析分离等领域的前端技术研究热点。本课题组长期致力于纳米金胶体的简便检测应用并申请过相关基金和大学生创新创业训练项目（202010596011;202110596032），笔者也是该创新项目的成员，与其他学生组员一起在试验中检测离子浓度和核酸，并学习Image、SPSS、Origin等关键计算机技术软件。当前，有必要总结前人的研究成果，思考如何提升纳米金修饰的传感器在实际环境检测中的应用价值与商业价值，最终提出前瞻性的研究方向。局部表面等离子共振是指当光线入射到由贵金属构成的纳米颗粒上时，如果入射光子频率与贵金属纳米颗粒或金属传导电子的整体振动频率相匹配，纳米颗粒或金属会对光子能量产生很强的吸收作用，就会发生局域表面等离子体共振现象[2]。一般使用柠檬酸作为还原剂制备敏感且可重现的纳米金溶胶底物，基于纳米金的生物相容性和共振散射效应，人们设计出灵敏度较高的免疫纳米金和适配体纳米金共振散射光谱分析法。因此，本文分析了基于纳米金粒子的高灵敏度生物传感器应用。

1 环境监测的应用

1.1 重金属离子和挥发物检测

工业革命以来，人类的工业活动日益频繁，在推动社会经济快速发展的同时，也不可避免地带来环境污染问题。水是人类文明延续的源泉，但是水体重金属污染长期以来是最重要的污染问题之一，重金属离子（如Cu2+、Hg2+、Ag+）会导致人体的慢性或者急性中毒[2]，可能会损害肾脏等各种器官和免疫系统，引发各类疑难杂症，严重危害人体健康。目前有许多检测重金属离子的方法，如原子吸收法、发射法、光谱学观测法以及近年来兴起的荧光分析法、UV-Vis光谱分析法和电化学传感器检测法[3]。

低成本、高灵敏度、选择性好、即时性的检测技术备受人们的青睐，而贵金属纳米颗粒（GNP）因其优异的理化性能引起学者的极大关注，被应用于设计各种性能理想的比色传感系统。硝基苯酚已被美国国家环境保护局（US EPA）列为有毒物质，它很容易通过皮肤和黏膜吸收，是潜在的诱变剂、致畸物和致癌物，因此，硝基苯酚监测对于控制环境污染来说至关重要。2019年，有学者将重金属离子添加到纳米金胶体溶液中，使用激光笔照射后，溶液发生丁达尔效应，随后用智能手机拍照（见图1），通过Image软件分析灰度，描绘出代表离子浓度的变化曲线[4]。

1.2 环境毒理检测

重金属是重要的水体污染源，同时各种药物废水正威胁水环境，如诺氟沙星、乙酰水杨酸和咖啡因等[5]。以个人护理产品（PPCP）残留物为例，其会从痕量水中富集于水生植物体内并干扰生物体的内分泌系统。更为重要的是，这类物质可能通过食物链富集对人体健康造成不小的危害[6]。因此，人们要对水环境中存在的PPCP進行定量分析，构思安全、灵敏和快速的方法。而实现该目标的方法包括电感耦合一类的离子体质谱法、荧光光谱法（碳点）、吸收光谱法（利用金纳米颗粒作为比色探针）、电化学传感器检测法等[2]。

目前，行业内大多使用金纳米颗粒（GNP），不仅吸收系数高，体表面积大，生物相容性符合实际环境的标准，还拥有独特的光学性质[1]，例如，它拥有表面等离子共振功能——处于液相时，聚集态和分散态相互转换，测量者可直接通过肉眼观察溶液色彩的变化[3]，GNP的比色响应亦是如此，能够优化（或者取消）前期的修饰步骤，大幅节约成本和时间。有学者[7]利用比色法，发明一种基于智能手机和比色适体纳米传感器的简单、敏感的便携式Hg2+检测系统，智能手机配备了光米应用程序，以此记录和处理来自智能手机微孔读取器的数据。

2 生物医学的应用

2.1 PAC标志物检测

以胰腺癌（PAC）为例，它是一种可对人体造成致命伤害的癌症，因此，它的预防与检测显得极为重要。若在癌变早期发现并进行相关医学诊治，则可大大降低疾病致死率，提高患者的生存年限与概率。作为唯一的常用生物标志物，碳水化合物抗原19-9（CA19-9）[8]具有敏感性、诊断特异性稳定且精准性高等特点，属于目前医学检测的常规手段，但酶联免疫分析（ELISA）中的放射免疫分析也存在缺陷：样品响应时间过长，成本高，结果假阳性比例大，因此常被人诟病。而金纳米颗粒（GNP）则可以补充这方面的缺点，有学者[9]使用人类胰腺肿瘤细胞系PANC1-CSTE及其原位肿瘤模型、纳米簇AuS-U11进行治疗，证明了肿瘤组织有效靶向，酶促释放PDT（光动力疗法）前药和内窥镜检查5-ALA的三重组合引导的PDT/PTT（光热治疗）治疗，可以实现胰腺癌的最佳治疗效果，而且副作用最小。

2.2 TNBC的检测与治疗

三阴性乳腺癌（TNBC）以雌激素受体、孕激素受体和HER2蛋白的阴性表达为特征，是一种侵袭性、顽固性乳腺癌亚型，同时表现出高恶性。截至目前，化学疗法是人类常用的唯一治疗方法，但其副作用较大，如对正常细胞与组织的侵害、在肿瘤组织中的低积累、后期导致的底物特异性差和不可避免的癌细胞耐药性[10]。随后，有学者[11]提出了一种新型的针对PTT的微波触发热休克蛋白（HSP）靶向金纳米系统，该系统专门针对TNBC进行检测与治疗，并发现当肿瘤细胞受到微波热疗非致命性热刺激的威脅时，肿瘤细胞中的热休克反应可以激活HSP的丰富表达，该蛋白随后可被抗HSP的单克隆抗体HSP70识别，最后，HSP-AuNC在肿瘤中的更高积累可以大大提高PTT的疗效，这为TNBC提供了新的研究视角，也为其他类肿瘤的研究提供了依据。

2.3 外泌体的检测与治疗

外泌体是哺乳动物细胞主动分泌的膜结合磷脂纳米囊泡，外泌体长期以来一直备受行业关注，外泌体分泌于癌症期，其蕴含有关亲本肿瘤的生物信息，也是病况严重程度的一种重要评价指标。超速离心是临床检测的技术手段之一，缺点为耗时长，而常规检测需要大量样品和诸多标记过程，传统的外泌体分析方法常常苛求大通量或外泌体浓度低的试验，由此激发人们探索新的方法与制造新的测量工具，以便在不对肿瘤进行活检的情况下采集到亲本肿瘤的生物信息。目前，行业内出现一种理想的传感方案——等离激元纳米[11]，其探测深度低于百级纳米，可以很容易地与外来体大小相匹配，从而提高检测灵敏度，并且传输设置允许系统小型化以及紧密包装的传感阵列构造，具体来说，其为一种纳米等离子体外来体传感器，实质上是一种改良型芯片，拥有金属膜中图案化的周期性纳米孔阵列，每个阵列都对应不同种类的外泌体蛋白质标记的亲和配体。传感器通过靶标特异性外泌体结合，可显示与靶标标记蛋白水平成正比的光谱移动或强度变化。与传统方法相比，此技术可提供高度灵敏且无标记的外泌体分析，而且能够进行连续和实时的分子结合监测。

3 结论

未来，纳米金传感系统的构造会更加趋于简单化，其检测的灵敏度和选择性会更加符合实际环境的需要，它不仅拥有在常规环境中检验水样中Hg2+、Cu2+和Ag+的巨大潜力，而且更为便捷实用。当然，传感器便携化也是时代发展趋势，可以给予未来分析行业更多的便利和平台。紧随21世纪信息革命的浪潮，人们可以将该技术与AI芯片相结合，开发出一整套所需检验物取样少、快速检测、便捷便利、成本不高的综合诊断与管理系统，彰显出本身的商业价值。其作为近代新兴的分析领域，因其发展速度迅猛和不可估量的经济效益，极为可能地成为未来重点研究的领域和热门课题。当然，纳米等离子传感器的前景也不可忽略，因为外泌体可用于癌症诊断。尽管外泌体的检测和分子谱分析在技术上具有挑战性，通常需要大量的样品纯化和标记，但是外泌体检测技术极具发展潜力。这一直激发着人们探索新颖的一种无标记、高通量的外泌体定量分析方法，它可以结合周期性纳米孔阵列的透射表面等离子体共振，将阵列都用抗体功能化，用于分析外泌体表面蛋白和存在于外泌体裂解物中的蛋白。同时，这种分析方法可以与小型光学器件集成，实现便携式操作，它可能会比以前的方法具有更高的灵敏度，使得研究进展更加顺利。

参考文献：

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