基于納米金粒子的高靈敏度生物傳感器應用

周沁宇 李雨桓 黃英才 劉崇敏

摘 要：電化學生物傳感器的應用領域極為廣泛，涉及環境監測、生命科學、藥物篩選等行業。其包含的納米金作為一種重要的金屬，具有出色的物理和化學特性，并已被應用于電化學、催化、生物傳感和DNA（脫氧核糖核酸）檢測領域，從而解決行業內樣品前處理復雜且耗時長、檢測結果誤差等問題。巨大的潛力證實其應用前景廣闊，特別是當其結合用于制備納米溶膠的新技術時，簡單、快速和靈敏的結果提升了現代定量分析平臺的精確度與應用效果。

關鍵詞：納米金;靈敏;傳感器

中圖分類號：TP212.3 文獻標識碼：A 文章編號：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

納米金一類的貴金屬納米材料憑借表面等離子共振（SPR）效應表現出獨特的物理和化學性質[1]，它已經成為納米傳感、分析分離等領域的前端技術研究熱點。本課題組長期致力于納米金膠體的簡便檢測應用并申請過相關基金和大學生創新創業訓練項目（202010596011;202110596032），筆者也是該創新項目的成員，與其他學生組員一起在試驗中檢測離子濃度和核酸，并學習Image、SPSS、Origin等關鍵計算機技術軟件。當前，有必要總結前人的研究成果，思考如何提升納米金修飾的傳感器在實際環境檢測中的應用價值與商業價值，最終提出前瞻性的研究方向。局部表面等離子共振是指當光線入射到由貴金屬構成的納米顆粒上時，如果入射光子頻率與貴金屬納米顆?；蚪饘賯鲗щ娮拥恼w振動頻率相匹配，納米顆?；蚪饘贂庾幽芰慨a生很強的吸收作用，就會發生局域表面等離子體共振現象[2]。一般使用檸檬酸作為還原劑制備敏感且可重現的納米金溶膠底物，基于納米金的生物相容性和共振散射效應，人們設計出靈敏度較高的免疫納米金和適配體納米金共振散射光譜分析法。因此，本文分析了基于納米金粒子的高靈敏度生物傳感器應用。

1 環境監測的應用

1.1 重金屬離子和揮發物檢測

工業革命以來，人類的工業活動日益頻繁，在推動社會經濟快速發展的同時，也不可避免地帶來環境污染問題。水是人類文明延續的源泉，但是水體重金屬污染長期以來是最重要的污染問題之一，重金屬離子（如Cu2+、Hg2+、Ag+）會導致人體的慢性或者急性中毒[2]，可能會損害腎臟等各種器官和免疫系統，引發各類疑難雜癥，嚴重危害人體健康。目前有許多檢測重金屬離子的方法，如原子吸收法、發射法、光譜學觀測法以及近年來興起的熒光分析法、UV-Vis光譜分析法和電化學傳感器檢測法[3]。

低成本、高靈敏度、選擇性好、即時性的檢測技術備受人們的青睞，而貴金屬納米顆粒（GNP）因其優異的理化性能引起學者的極大關注，被應用于設計各種性能理想的比色傳感系統。硝基苯酚已被美國國家環境保護局（US EPA）列為有毒物質，它很容易通過皮膚和黏膜吸收，是潛在的誘變劑、致畸物和致癌物，因此，硝基苯酚監測對于控制環境污染來說至關重要。2019年，有學者將重金屬離子添加到納米金膠體溶液中，使用激光筆照射后，溶液發生丁達爾效應，隨后用智能手機拍照（見圖1），通過Image軟件分析灰度，描繪出代表離子濃度的變化曲線[4]。

1.2 環境毒理檢測

重金屬是重要的水體污染源，同時各種藥物廢水正威脅水環境，如諾氟沙星、乙酰水楊酸和咖啡因等[5]。以個人護理產品（PPCP）殘留物為例，其會從痕量水中富集于水生植物體內并干擾生物體的內分泌系統。更為重要的是，這類物質可能通過食物鏈富集對人體健康造成不小的危害[6]。因此，人們要對水環境中存在的PPCP進行定量分析，構思安全、靈敏和快速的方法。而實現該目標的方法包括電感耦合一類的離子體質譜法、熒光光譜法（碳點）、吸收光譜法（利用金納米顆粒作為比色探針）、電化學傳感器檢測法等[2]。

目前，行業內大多使用金納米顆粒（GNP），不僅吸收系數高，體表面積大，生物相容性符合實際環境的標準，還擁有獨特的光學性質[1]，例如，它擁有表面等離子共振功能——處于液相時，聚集態和分散態相互轉換，測量者可直接通過肉眼觀察溶液色彩的變化[3]，GNP的比色響應亦是如此，能夠優化（或者取消）前期的修飾步驟，大幅節約成本和時間。有學者[7]利用比色法，發明一種基于智能手機和比色適體納米傳感器的簡單、敏感的便攜式Hg2+檢測系統，智能手機配備了光米應用程序，以此記錄和處理來自智能手機微孔讀取器的數據。

2 生物醫學的應用

2.1 PAC標志物檢測

以胰腺癌（PAC）為例，它是一種可對人體造成致命傷害的癌癥，因此，它的預防與檢測顯得極為重要。若在癌變早期發現并進行相關醫學診治，則可大大降低疾病致死率，提高患者的生存年限與概率。作為唯一的常用生物標志物，碳水化合物抗原19-9（CA19-9）[8]具有敏感性、診斷特異性穩定且精準性高等特點，屬于目前醫學檢測的常規手段，但酶聯免疫分析（ELISA）中的放射免疫分析也存在缺陷：樣品響應時間過長，成本高，結果假陽性比例大，因此常被人詬病。而金納米顆粒（GNP）則可以補充這方面的缺點，有學者[9]使用人類胰腺腫瘤細胞系PANC1-CSTE及其原位腫瘤模型、納米簇AuS-U11進行治療，證明了腫瘤組織有效靶向，酶促釋放PDT（光動力療法）前藥和內窺鏡檢查5-ALA的三重組合引導的PDT/PTT（光熱治療）治療，可以實現胰腺癌的最佳治療效果，而且副作用最小。

2.2 TNBC的檢測與治療

三陰性乳腺癌（TNBC）以雌激素受體、孕激素受體和HER2蛋白的陰性表達為特征，是一種侵襲性、頑固性乳腺癌亞型，同時表現出高惡性。截至目前，化學療法是人類常用的唯一治療方法，但其副作用較大，如對正常細胞與組織的侵害、在腫瘤組織中的低積累、后期導致的底物特異性差和不可避免的癌細胞耐藥性[10]。隨后，有學者[11]提出了一種新型的針對PTT的微波觸發熱休克蛋白（HSP）靶向金納米系統，該系統專門針對TNBC進行檢測與治療，并發現當腫瘤細胞受到微波熱療非致命性熱刺激的威脅時，腫瘤細胞中的熱休克反應可以激活HSP的豐富表達，該蛋白隨后可被抗HSP的單克隆抗體HSP70識別，最后，HSP-AuNC在腫瘤中的更高積累可以大大提高PTT的療效，這為TNBC提供了新的研究視角，也為其他類腫瘤的研究提供了依據。

2.3 外泌體的檢測與治療

外泌體是哺乳動物細胞主動分泌的膜結合磷脂納米囊泡，外泌體長期以來一直備受行業關注，外泌體分泌于癌癥期，其蘊含有關親本腫瘤的生物信息，也是病況嚴重程度的一種重要評價指標。超速離心是臨床檢測的技術手段之一，缺點為耗時長，而常規檢測需要大量樣品和諸多標記過程，傳統的外泌體分析方法常?？燎蟠笸炕蛲饷隗w濃度低的試驗，由此激發人們探索新的方法與制造新的測量工具，以便在不對腫瘤進行活檢的情況下采集到親本腫瘤的生物信息。目前，行業內出現一種理想的傳感方案——等離激元納米[11]，其探測深度低于百級納米，可以很容易地與外來體大小相匹配，從而提高檢測靈敏度，并且傳輸設置允許系統小型化以及緊密包裝的傳感陣列構造，具體來說，其為一種納米等離子體外來體傳感器，實質上是一種改良型芯片，擁有金屬膜中圖案化的周期性納米孔陣列，每個陣列都對應不同種類的外泌體蛋白質標記的親和配體。傳感器通過靶標特異性外泌體結合，可顯示與靶標標記蛋白水平成正比的光譜移動或強度變化。與傳統方法相比，此技術可提供高度靈敏且無標記的外泌體分析，而且能夠進行連續和實時的分子結合監測。

3 結論

未來，納米金傳感系統的構造會更加趨于簡單化，其檢測的靈敏度和選擇性會更加符合實際環境的需要，它不僅擁有在常規環境中檢驗水樣中Hg2+、Cu2+和Ag+的巨大潛力，而且更為便捷實用。當然，傳感器便攜化也是時代發展趨勢，可以給予未來分析行業更多的便利和平臺。緊隨21世紀信息革命的浪潮，人們可以將該技術與AI芯片相結合，開發出一整套所需檢驗物取樣少、快速檢測、便捷便利、成本不高的綜合診斷與管理系統，彰顯出本身的商業價值。其作為近代新興的分析領域，因其發展速度迅猛和不可估量的經濟效益，極為可能地成為未來重點研究的領域和熱門課題。當然，納米等離子傳感器的前景也不可忽略，因為外泌體可用于癌癥診斷。盡管外泌體的檢測和分子譜分析在技術上具有挑戰性，通常需要大量的樣品純化和標記，但是外泌體檢測技術極具發展潛力。這一直激發著人們探索新穎的一種無標記、高通量的外泌體定量分析方法，它可以結合周期性納米孔陣列的透射表面等離子體共振，將陣列都用抗體功能化，用于分析外泌體表面蛋白和存在于外泌體裂解物中的蛋白。同時，這種分析方法可以與小型光學器件集成，實現便攜式操作，它可能會比以前的方法具有更高的靈敏度，使得研究進展更加順利。

參考文獻：

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