（凝聚态物理专业论文）金纳米颗粒、zno纳米结构在癌症治疗和生物传感方面的应用.pdf

摘要 摘要 纳米技术是一个典型的多学科交叉的领域，其与生物医学的结合催生出了纳 米生物医学。在这个领域中，人们利用纳米材料开展的针对重大疾病的检测与治 疗研究已经取得了瞩目的成果，但仍处于探索阶段。其中，功能化或具有良好生 物相容性的纳米材料设计与制备依然是一个很大的挑战。在本论文中，我们设计 与合成了功能化的金纳米颗粒，探索了金纳米颗粒在癌症治疗方面的应用；另外 制备了z n o 纳米阵列及p d z n o 复合结构，并利用这些结构在生物分子传感方面 进行了研究。具体包括以下内容t 第一章，从纳米材料的制备方法出发，介绍了纳米材料在生物领域中的应用， 最后引出了本论文的研究内容和意义。 第二章，合成了不同表面配体的金纳米颗粒，研究了乳腺癌细胞对金纳米颗 粒的吞噬以及金纳米颗粒在癌症治疗方面的应用。研究发现尺寸、浓度、表面配 体等因素会影响到癌细胞对金纳米颗粒的吞噬。以柠檬酸三钠包裹的金颗粒为 例，乳腺癌细胞对9 8 n m 的金颗粒具有最大的吞噬，且吞噬量随浓度的增大而增 加。巯基乙胺修饰的金颗粒( a e t - g n p ) 能够因静电吸附作用选择性地绑定到 癌细胞的表面；而葡萄糖修饰的金颗粒( g l u q 岬) 可以介由癌细胞对葡萄糖的 摄取机制进入到细胞体内。我们选用功能化的a e t - g n p 和g l u g n p 研究了金纳 米颗粒在癌症放射疗法中的辅助作用。细胞毒性实验证实了这两种金颗粒的无毒 性。以2 0 0 k v px 射线为放射源，发现这些金颗粒能够显著增强x 射线对癌细胞 的杀伤作用，但对正常细胞没有增强效应。通过对比不同类型的放射源( 6 0 c o ， 1 37 c s 丫射线) ，初步认为金纳米颗粒对x 射线的放疗增强效应源于光电效应产生 的光电子诱发细胞内的活性自由基数目的增加，从而导致细胞的破坏及凋亡。 第三章，制备了基于z n o 纳米管阵列的葡萄糖生物传感器。首先利用电化 学方法在金电极上制备了z n o 纳米棒阵列，然后进一步通过化学腐蚀的方法得 到了z n o 纳米管阵列。研究了制备过程中反应时间、温度、施加电压等因素对 z n o 纳米阵列的形貌的影响。随后利用交联法将葡萄糖氧化酶固定在z n o 纳米 管阵列上制各出葡萄糖生物传感器。通过对其性能的表征发现，该生物传感器对 葡萄糖具有快速、灵敏的探测，其线性范围是5 0 1 t m 一1 2 m m ，响应时间为3 s ，灵 敏度为2 1 7 p a m m c m 2 ，实验测得的最低检测限为l p m 。同基于金膜和z n o 纳 摘要 米棒阵列的葡萄糖生物传感器相比，z n o 纳米管阵列能够有效地提高生物传感器 的线性范围和灵敏度。另外，实验结果也表明基于z n o 纳米管阵列的葡萄糖生 物传感器具有良好的抗干扰性能及稳定性。 第四章，借助电沉积的方法在z n o 纳米棒阵列上沉积了金属p d 纳米颗粒， 定性地研究了沉积时间及初始p d c l 2 浓度对p d z n o 复合结构形貌的影响。利用 这种结构进行了无酶h 2 0 2 的检测，实验发现p d z n o 复合结构对h 2 0 2 具有高效 的电催化还原作用，制备的h 2 0 2 无酶传感器线性范围是2 5 “m 也3 m m ，灵敏度 为0 4 0 5 m a m m c m 2 ，实验测得的最低检测限为2 5 州。另外，该传感器也具有 很好的抗干扰性能及稳定性。 第五章，针对本论文所涉及研究方向的发展趋势做了展望。 关键词：金纳米颗粒，癌症，z n o 纳米阵列，葡萄糖生物传感器，p d 纳米颗粒， h 2 0 2 无酶传感器 l i a b s t r a c t a b s t r a c t n a n o t e c h n o l o g yi sat y p i c a lm u l t i d i s c i p l i n a r yr e a l mi n c l u d i n gp h y s i c s ，c h e m i s t r y , e l e c t r o n i c sa n db i o l o g y t h ec o m b i n a t i o no fn a n o t e c h n o l o g ya n db i o m e d i c i n ew h i c h i st e r m e da sn a n o b i o m e d i c i n eh a sr e c e i v e dm u c ha t t e n t i o nr e c e n t l y i nt h i sf i e l d ， r e s e a r c h e r sd e d i c a t et ot h er e s e a r c ho nt h ed e t e c t i o na n dt r e a t m e n to fm a j o rd i s e a s e s s u c ha sc a n c e r ，d i a b e t e so rc a r d i o p a t h yw i t hn a n o m a t e r i a l s a l t h o u g hi m p r e s s i v e p r o g r e s sh a sb e e na c h i e v e d ，t h e r es t i l l e x i s t sas i g n i f i c a n tc h a l l e n g et od e s i g na n d s y n t h e s i z e f u n c t i o n a l i z e dn a n o m a t e r i a l sw i t hg o o db i o c o m p a t i b i l i t y i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，w ef o c u so nt h es y n t h e s i so ff u n c t i o n a l i z e d0 da n d1d n a n o m a t e r i a l sa n d e x p l o r et h e i ra p p l i c a t i o n si nt h ec a n c e rt r e a t m e n t sa n ds e n s i n go f b i o m o l e c u l e s i nc h a p t e r1 ，w ef i r s ts u m m a r i z e dt h es y n t h e s i ss t r a t e g i e so nt h en a n o m a t e r i a l s b r i e f l y t h e nw ei n t r o d u c e d t h et y p i c a la p p l i c a t i o n so ft h en a n o m a t e r i a l si nt h e b i o l o g i c a lf i e l d s l a s t l y , w cd i s c u s s e dt h em a i nc o n t e n t sa n ds i g n i f i c a n c e o ft h e d i s s e r t a t i o n i nc h a p t e r2 ，w es u c c e s s f u l l ys y n t h e s i z e dg o l dn a n o p a r t i c l e s ( g n p s ) w i t h v a r i o u st y p e so fc h e m i c a ls u r f a c ef e a t u r e s t h ec e l lu p t a k ea n dr a d i a t i o nc y t o t o x i c i t y e n h a n c e m e n to fg n p si nt h eb r e a s tc a n c e rh a v eb e e nw e l li n v e s t i g a t e d i t ss h o w n t h a tt h es i z e ，c o n c e n t r a t i o na n ds u r f a c em o d i f i c a t i o no fg n p sc a na f f e c tt h ec e l l u p t a k e a sf o rt h ec i t r a t es o d i u mm o d i f i e dg n p s ，9 8 n md i a m e t e rg n p s a r em o s t l y u p t a k e nb yt h eb r e a s tc a n c e rc e l l sa n dt h en u m b e ro ft h eg n p si nt h ec e l l si n c r e a s e s l i n e a r l yw i t ht h e i rc o n c e n t r a t i o n s e l e c t i v eb o n dw i t ht h ec e l lm e m b r a n eo rl o c a l i z e d t ot h ec y t o p l a s mw a sa l s oa c h i e v e dw i t hc y s t e a m i n e ( a e t - g n p s ) o rt h i o g l u c o s e ( g l u g n p s ) m o d i f i e dg n p s ，r e s p e c t i v e l y r a d i a t i o ne x p e r i m e n t sd e m o n s t r a t e dt h a t b o t ho fa e t - g n p sa n dg l u g n p sc o u l di n c r e a s et h ec y t o t o x i c i t yo f2 0 0 k v px - r a yt o t h ec a n c e rc e l l s ，b u tn o tt ot h en o r m a lc e l l s b yc o m p a r i s o nw i t hd i f f e r e n c et y p eo f r a d i a t i o np c o ，1 3 7 c s r - r a y ) ，w es u g g e s tt h a tt h ep h o t o e l e c t r i ce f f e c tm i g h tb eam a j o r m e c h a n i s mf o rg n p - i n d u c e di n c r e a s eo fc y t o t o x i c i t yb yt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e n l o w - e n e r g yx - r a ya n dg n p s i nc h a p t e r3 ，ag l u c o s eb i o s e n s o rw a sf a b r i c a t e dw i t hi m m o b i l i z a t i o no fg l u c o s e i i i a b s t r a c t o x i d a s eo n t ot h ez n on a n o t u b ea r r a y s t h ez n on a n o t u b ea r r a y sw e r ep r e p a r e db y c h e m i c a le t c h i n go fz n on a n o r o d st h a tw e r ee l e c t r o c h e m i c a l l yd e p o s i t e do n 坊ea h s u r f a c e f a c t o r sa f f e c t i n gt h em o r p h o l o g yo fz n on a n o a r r a y ss u c ha sr e a c t i o nt i m e ， t e m p e r a t u r ea n da p p l i e dv o l t a g ew e r es t u d i e d t h eg l u c o s eb i o s e n s o rw a sf a b r i c a t e d v i ac r o s s 1 i n k i n gm e t h o d t h eb i o s e n s o rs h o w e daf a s ta n ds e n s i t i v er e s p o n s et ot h e d e t e c t i o no f g l u c o s e i th a sa w i d el i n e a rr a n g ef r o m5 0 州t o1 2 m mw i t h3 sr e s p o n s e t i m e t h es e n s i t i v i t yo ft h eb i o s e n s o ri sf o u n dt ob e21 7 i _ t a m m 。c m 上m o r e o v e r , i t s e x p e r i m e n t a ld e t e c t i o nl i m i ti s1 州( s i g n a lt on o i s er a t i o no f3 ) a n dt h ea p p a r e n t m i c h a e l i s m e n t e nc o n s t a n ti sc a l c u l a t e dt ob e19 r a m t h eb i o s e n s o ra l s oe x h i b i t e d g o o da n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t ya n dl o n g - t e r ms t a b i l i t y a l lt h e s er e s u l t sd e m o n s t r a t e d t h a tz n on a n o t u b ec a np r o v i d eap r o m i s i n gm a t e r i a lf o rt h eb i o s e n s o rd e s i g n sa n d o t h e rb i o l o g i c a la p p l i c a t i o n s i nc h a p t e r4 ，an o n e n z y m a t i ch 2 0 2s e n s o rw a sc o n s t r u c t e db a s e do np a l l a d i u m n a n o p a r t i c l e sd e c o r a m dz n on a n o r o d s ( p d - z n o n r ) f a b r i c a t e db ye l e c t r o d e p o s i t i o n m e t h o d t h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h ep d z n o n rm o r p h o l o g ys u c ha se l e c t r o d e p o s i t i o n t i m e ，i n i t i a lp d c l 2c o n c e n t r a t i o nw e r eq u a l i t a t i v e l ya s s e s s e d t h ep d z n o n rs h o w e d h i g he l e c t r o c a t a l y t i ca b i l i t yt ot h ee l e c t r o r e d u c t i o no fh y d r o g e np e r o x i d e ( h 2 0 9 t h e f a b r i c a t e dn o n e n z y m a t i ch 2 0 2s e n s o rh a daq u i t ew i d el i n e a rr a n g ef r o m2 5 1 上mt o 2 3 r a m 。l o we x p e r i m e n t a l d e t e c t i o nl i m i to f2 5 州a n dl a r g es e n s i t i v i t yo f 0 4 0 5 m a m m c m 2 t h es e n s o ra l s oh a dg o o da n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t ya n dl o n g - t e r m s t a b i l i t y t h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h ep d z n o n ri s ap r o m i s i n gm a t e r i a lf o r n o n e n z y m a t i ch 2 0 2s e n s i n g i nc h a p t e r5 ，w eg a v eap r o s p e c to nt h et o p i c sd i s c u s s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n k e y w o r d s ：g o l dn a n o p a r t i c l e s ，c a n c e r , z n on a n o a r r a y s ，g l u c o s eb i o s e n s o r , p d n a n o p a r t i c l e s ，n o n e n z y m a t i ch 2 0 2s e n s i n g i v 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除己特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名：签字日期： 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人 提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 口公开口保密( 年) 作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 第1 章绪论 第1 章绪论 纳米科技是目前世界上最令人关注的科技领域之一，它的发展极大地丰富了 人们对于物质世界的认识，使得人们能够在纳米尺度上能动地认识和改造自然。 事实上，纳米材料在实际生活中的应用古已有之，早在1 0 0 0 多年前，中国古代 就利用蜡烛燃烧得到的碳黑作为墨的原料及用于着色的染料；另外，从出土的中 国古铜镜一黑漆古的表面也发现有一层纳米s n 0 2 构成的防锈层【1 卜遗憾的是， 那个时代的人们并没有意识到自己认识世界已然到达了一个新的层次。虽然在较 早些时候，各个学科已经把研究范围伸向纳米尺度，而把纳米材料科学正式作为 材料科学的一个分支，是在1 9 9 0 年7 月在美国巴尔的摩召开的第一届国际纳米 科学技术学术会议上确定的。此次会议还正式提出了一系列与纳米生物学、纳米 电子学、纳米材料学等相关的术语和概念。从此以后，纳米材料，无论从理论上 还是实验上都得到了迅速的发展，其研究内涵及应用范围也不断扩大。在本章中， 我们从纳米材料的制备技术出发，简要介绍纳米材料在生物领域中的应用，然后 说明本篇论文的研究意义和研究内容。 1 1纳米材料制备技术 1 1 1零维纳米结构的制备 零维纳米结构指空间三维尺度均处在纳米尺度的结构，也是构筑低维纳米材 料的基础，其典型代表是纳米颗粒，即一种介于原子分子和宏观块材之间处于中 间物态的固体颗粒。虽然在自然界中存在着一定的纳米颗粒，如大气中的烟雾或 某些尘埃等，但这些颗粒无法被人们直接采用。自1 9 8 4 年德国科学家g l e i t e r 等 首次用惰性气体凝聚法制备出铁纳米颗粒 2 】以来，人工制备纳米颗粒的技术得 到了快速而长足的发展。目前人们制备纳米颗粒的方法基本可以分为三类：物理 方法、化学方法以及综合方法。 1 1 1 1 物理制备方法 最早被付诸于实践的物理制备方法是机械粉碎法，通过改进传统的机械粉碎 技术，使固体颗粒因粉碎和研磨而不断细化。由于一般的机械粉碎法最小只能得 到微米级的颗粒，采用一些高能球磨【3 】等就可以使机械粉碎的极限值达到纳米 量级。机械粉碎法是一种典型的“自上而下 ( t o pd o w n ) 的制备方法，其中存 l 第1 章绪论 在一些限制，如颗粒纯度不高，粒径较难控制，颗粒之间会存在一定的团聚，另 外对颗粒表面的功能化修饰也不易实现等。 除了机械粉碎法，物理气相沉积法也是通常采用的制备纳米颗粒的方法。物 理气相沉积法基本思路是在惰性气氛中将金属、合金等原料蒸发气化，然后再冷 却，凝聚而长大生成纳米颗粒。根据所施加的蒸发源不同又有等离子体加热法 【4 】、激光加热法 5 】( 如图1 1 所示) 、电弧放电法【6 】等。物理气相沉积法极大地 改善了机械粉碎法在粒径控制、样品纯度和团聚等问题，但就颗粒表面的功能化 修饰以及颗粒的形貌调控方面仍较难解决。 图1 1 激光加热法制备纳米颗粒的示意图，摘自文献【5 】 1 1 1 2 化学制备方法 相比较而言，利用化学方法制备纳米颗粒是目前研究最多的一个方向。经过 多年的经验积累，人们已经能够根据需要制备出尺寸、形貌及表面修饰可控的纳 米颗粒；且纳米颗粒的成分也由单组分扩展到多元化。化学制备方法的分类多种 多样，根据物料状态的不同可以分为固相法、液相法以及气相法。由于本文中涉 及到的制备方法属于液相法，在这里仅就液相法制备纳米颗粒做一简介。 液相法制备纳米颗粒的共同特点是在均相的溶液中，通过各种方式发生化学 反应，使溶质从溶液中分离出来，继而形成一定大小和形状的颗粒。化学反应中 的参数，如温度、p h 值、分散剂种类及浓度等会极大地影响颗粒的形貌与表面 性质。液相制备纳米颗粒常用的主要方法有： 1 ) 沉淀法 沉淀法是液相法制备纳米颗粒采用最广泛的合成方法之一，其基本思路是向 含有可溶性盐的溶液中加入沉淀剂，如o h 。、c 0 3 2 - 或一些相应的还原剂( n a b h 4 、 水合肼或柠檬酸三钠等) ，在特定的实验条件下得到不溶性的氢氧化物、氧化物、 第1 章绪论 无机盐或被还原出的金属颗粒，直接或经热分解后就可i ；i 得到需要的纳米颗粒。 例如m u r p h y 等用首先用柠檬酸三钠n a b 出还原氧金酸形成金种溶液，再以氯 金酸c t a b 混合溶液作为生长溶液，通过调节二者比例，可以得到尺寸处于 5 - 4 0 h m 的金纳米颗粒，如图1 2 所示。 图12 沉淀法制各的金纳米颗粒，a ：5 5 0 6 n m ；b ： 5 a m ；摘自文献【7 】。 沉淀法不仅能够在水相中制各a g s l 、p t 9 】、p d 1 0 、c o 【1 1 】等纳米颗粒， 另外在有机相中，这种方法也已经成功地用于f e 1 2 、n i t 3 】、c d s e 1 4 等金属 或半导体纳米颗粒的制备之中。 2 ) 水热法或溶剂热法 水热法( h y d m t h e r m a l ) 通常是在耐高温、耐高压的密闭容器( 如高压釜) 中进行。水热法提供了一个常温常压下无法实现的制备环境，它以水溶液为反应 体系，辅以加热处理，在一定的温度和压力下实现纳米颗粒的合成。这是由于加 热和高压，水溶液体系能够达到临界温度，反应物在这种情况下一方面可以得到 充分的溶解，另一方面能够加快离子反应或水解的速度，继而形成纳米颗粒的生 长基元，最后成核结晶。般地，利用水热法可以制各出结晶良好的纳米颗粒。 3 第l 章绪论 这种方法对于制备氧化物纳米颗粒以及一些对水溶液不敏感的硫化物纳米颗粒 具有较大的优势。目前人们已经成功地制备出了t 1 0 2 1 5 、s n 0 2 1 6 、z n s 1 7 】 等纳米颗粒。 。 当用有机溶剂代替水时，则扩展了水热法的应用范围，发展成为溶剂热方法 ( s o l v o t h e r m a l ) 。例如，w a n g 等【1 8 】利用乙醇作溶剂，a g n 0 3 和一定量的十二 烷基硫醇作溶质，用溶剂热的方法制备了a g 纳米颗粒，调节反应时间及溶剂溶 质问的比例可以得到尺寸不同的a g 纳米颗粒。 3 ) 溶胶一凝胶法 利用溶胶一凝胶法制备纳米颗粒的基本过程是首先将金属有机或无机化合 物经过溶液一溶胶( s 0 1 ) 一凝胶( g e l ) 三个过程而固化，再对得到的凝胶干燥 以除去有机成分而得到无机纳米颗粒 1 9 - 2 1 。这种方法在制备过程中不容易引入 杂质，化学均匀性好。 除了上面介绍的几种方法外，液相合成纳米颗粒还有微乳液法 2 2 】、喷雾法 【2 3 1 等，这些方法都能够有效地得到金属、半导体或复合纳米颗粒。 1 1 1 3 综合制备方法 近年来，为了满足在科研领域中的需要，人们发展了多种技术手段来制各纳 米颗粒，如生物大分子( 核酸或核苷酸等) 辅助合成法 2 4 2 6 ，激光诱导液相沉 积法【2 7 1 ，射线辐射合成法【2 8 】等。这些手段多是属于物理、化学或生物等多学 科交叉的综合制备方法。 1 1 2 一维纳米结构的制备 自1 9 9 1 年碳纳米管被发现出来以后，一维纳米材料的制备和研究受到了科 学界的广泛关注。一维纳米材料为人们提供了一个良好的介观系统，可以用于研 究介观尺度的物理现象，如电子输运性质、光学或力学特性等。随着研究的深入， 一维纳米材料在构建电子学器件方面也显示出零维纳米颗粒所不具备的优势，对 其性质和制备方法的研究也为未来新型器件的设计与制造带来了新的视点。 就一维纳米结构的制各技术路线上看，种是将宏观块材通过减小尺寸来制 备纳米结构，即“自上而下”( t o pd o w n ) 的方法，其操作的典型代表是利用刻 蚀技术实现的。虽然从目前微电子学的进展看，这种方法仍具有一定的活力 ( m o o r e 定律暂未失效) ，但这种方法实则潜力有限，没能体现出纳米技术的优 越性，也不具有通过操纵分子或原子制备新型结构的能力。近年来，“自下而上 第l 章绪论 ( b o t t o mu p ) 的理念不断深入人心，事实上，这个理念也是纳米科技在昂早提出 时的核心内涵 2 9 1 。在它的指导下，人们开发出各种方法制各一维纳米结构，如 气相法 3 0 3 5 、模板法 3 6 4 2 1 等。在这些方法中，一维纳米结构的形成从根本上 看是物质的结晶长大过程。在自然界中，有的材料本身具有特殊的各向异性生长 习性，不需要太多的人为控制就能够实现一维的结构，如s e 纳米线【4 3 ；而另 外一些材料不具备这样的性质。于是人们需要选择恰当的实验方法阻获得它们的 一维纳米结构。 1 ) 气相法 气相法制备一维纳米结构是目前采用最多的一种方法。这种方法原则上能够 制各出任何固体材料的一维纳米结构 4 4 1 。其中，气一液一固( v l s ) 生长机制 又是通常被人们所采用的机制一般适合有催化剂的情况。在合适的温度下，气 相中的反应物首先溶解在呈液态的金属催化剂中形成液态共溶体；当共溶体中的 反应物组分达到过饱和状态以后，待制各材料就会沿着固一液界面选择性析出， 进而生长为一维结构。在这个过程中，金属液滴对一维结构的生长起者引导作用， 其尺寸一般不改变；每个液滴作为一个软模板，限制了纳米结构在横向上的生长。 例如杨培东教授等 4 5 1 利用2 0 r i m 的金纳米颗粒为催化剂，制各出了半导体g e 纳米线，制各示意图如图13 所示。 a b 型逍巫 。、g 遵鑫逸舅卫 图1 3 v l s 方法制备g e 纳米线示意图，摘自文献4 5 5 一r=；p 第1 章绪论 在没有催化剂参与的情况下制各一维结构则属于气一同( v s ) 生长机制。 在v s 过程中，首先在高温区通过热蕉发或碳热还原等方式产生含有前驱物的气 相环境随后前驱物在载气输运的过程中直接沉积或与载气反应后沉积到置于低 温区的衬底上。例如王中林教授等利用v s 机制，以高纯度z n o 、s n 0 2 、i n 0 3 为反应源制备出了一系列氧化物纳米带【4 6 】，如图1 4 所示。 魑爱娄 麓黼 豳圈 圈1 4 利用v s 生长机制制备的z n o 纳米带，摘自文献【4 6 】。 2 ) 模板法 利用模扳也可以可控地制备一维纳米结构。在这种方法中，作为模扳的材料 以一种“脚手架”式的形式引导着纳米结构的生长。一般包括两种模板，一种属 f 多孔的二维阵列，如氧化铝模扳 4 7 1 ，通过气相沉积等方法将材料填充到孔洞 中形成一维纳米阵列；另外一种利用一维纳米材料，如d n a 4 8 或碳纳米管【4 9 1 作为模板，通过适当的反应条件在它们外面包裹其他的材料，除去模板后就可以 得到一维纳米阵列。例如d n a 作为一种生物大分子，h 化学性质稳定，尺寸处 f 纳术尺度( 直径2 a m ) ，且d n a 的磷酸基骨架在溶液中带负电，这些性质使 得d n a 成为很好的制各一维纳米结构的模板，能够方便地实现“自下而上”自 6 第1 章绪论 组装制各一维纳米结构。如l a b e a a 等以d n a 为模板，首先将a r 沉积到d n a 上面，再通过一步还原反应得到了具有高导电性的a g 纳米线【5 0 】：另外中国科 学技术大学王振兴博士利用d n a 模板，结台p d m s 转移技术，以光诱导的方法 制各了c d s 半导体纳米线【5 1 】，如图1 5 所示。 黼 图1 5 咀d n a 为模板制备金属a g 纳米线( a ) 及半导体c d s 纳米线( b ) ，分别摘自文献 5 0 ，5 1 1 3 ) 零维纳米颗粒的组装 利用纳米颗粒的组装技术制备一维结构包括两卜方面，一种是利用纳米颗粒 在溶液中的自组装性质1 5 2 ：另一则是通过场诱导技术【5 3 - 5 5 1 。例如中国科学技 术大学的曾杰博士发现在磁场的诱导下，c o 纳米颗粒倾向于组装成一维链状结 构陋3 l ，如图l6 所示。 业吼：o 0 0 。o 撩 固i6 磁场诱导c o 纳米颗粒组装成一维链状纳米结构，摘自文献 5 习。 第1 章绪论 4 ) 其他方法 随着纳米技术的不断发展，为了满足在特殊情况下的需要，人们还逐渐发展 了水热法 5 6 6 0 、电化学方法【6 l - 6 3 】等多种方法制备一维纳米结构。 1 1 3 二维三维纳米结构的制备 纳米薄膜是一种典型的二维纳米材料，它的厚度处于纳米量级，其他两维的 尺寸不限。纳米薄膜有单层膜和多层膜之分，其制备方法包括蒸发法【6 4 】、溅射 法【6 5 】、l b 技术【6 6 、原子层沉积法【6 7 7 0 】等多种方法。 纳米块体材料( n a n o s t m c t u r e db u l km a t e r i a l s ) 指由尺寸介于1 1 0 0 n m 的纳 米颗粒形成的块材。制备方法主要有两种：一种是先制备好纳米颗粒再通过进一 步的加压、锻烧得到 7 1 】；另一种是直接将块材通过特殊工艺，如大塑性变形技 术( s e v e r ep l a s t i cd e f o r m a t i o n ) 【7 2 匍j 备具有纳米结构的块材。 1 2 纳米材料在生物领域中的应用 一种新纳米材料或结构被制备出来以后，人们已经不满足于对其进行物性的 表征测量；这种材料是否真正值得人们花费精力研究，主要还依赖它是否具有应 用的潜能。纳米材料和技术应用于生物领域不是某些阿基米德们的一瞬间灵感， 而是一个学科间相互渗透的缓慢过程。首先随着生物学的发展，人们了解了生物 学中的微观表象：处于微米尺度的细胞、细胞器以及处于纳米尺度的病毒、d n a 、 r n a 、蛋白质、脂类等。我们可以认为，大多数的生命活动都是以纳米尺度的 生化反应为基础的。而由于纳米颗粒等纳米结构的尺寸与上述生物大分子的尺寸 相当，这也为人们提供了一个新的生物学研究领域，即从纳米的尺度上认识细胞 及其他生命活动。纳米技术与生物领域的结合不仅对探索生命本质具有重要的意 义，而且还具有重大的应用价值。 1 2 1 纳米生物医学 纳米生物医学是一项借助于纳米材料对疾病，尤其是重大疾病的预防、诊断 及治疗的研究。疾病其本质是因生物体在细胞或分子水平上受损而导致的。大部 分传统的医疗手段( 手术等) 主要还是依赖于细胞自身的自愈和再生，无法主动 地从细胞或分子层次上治愈疾病。而功能化的纳米材料，如纳米颗粒等不仅能够 实现靶向性的定位，而且还可以从分子的水平上检测疾病；另外，通过携带药物 或仅仅依靠自身的光学等性质，纳米材料也能够实现主动地治疗疾病的目的。 第1 章绪论 12 11 癌症的成像 相比于传统的荧光基团，利用纳米颗粒进行癌症成像具有很大的优势：发光 稳定可调，不会淬灭；表面易于修饰，能够实现特异性成像；易于实现多功能的 集成。目前对于癌纽匏组织鲍成橡，主要有光学成像1 7 3 1 、磁共振成像1 7 4 1 、光 声【7 5 】及复合成像【7 6 】等多种。例如，对于光学成像，美国e m o r y 大学的聂书明 教授【7 7 】首先制各出c d s e - z n s 核壳结构，再包裹一层具有疏水亲水基团的高聚 物，最后再修饰聚乙二醇( p e g ) 进行颗粒表面改性以及抗体分子实现特异性识 别，如图1 7 所示。由于高聚物和p e g 的包裹，提高了纳米颗粒的生物相容性， 避免了纳米颗粒在生理条件下被水解或被酶降解，使活体内成像成为可能：另外， 颗粒表面的抗体分子能够特异性地绑定到癌细胞表面相应位点上，实现了主动成 像，有效地提高了成像效率。 = 二= ：曼漱 磊o d p 。a i o g 嚣 剡c i ；科。龟谣0 巷两 ：= 璺狲。 囊0 0 2 2 0 , , o o 。，鬻 。“伊崩- l 飞i i 戴。哂麒歹 图i7c d s e - z n s 核壳结构纳米颗粒用于癌症成像；当纳米颗粒修饰有抗体时对应于主动成 像，反之则对应于被动成像，摘自文献【7 7 】。 除了c d s e - z n s 复合纳米颗粒之外，功能化的a u 7 8 、i n p 7 9 、s u i c a 7 3 ，8 0 】 等纳米颗粒也被人们用于癌症的光学成像上。此外，近年来，磁性纳米材料在肿 瘤的早期诊断和治疗方面也引起了人们的广泛关注。f 旬0 4 1 8 1 、f e p t 8 2 、f e c o 8 3 】 潦 第1 章绪论 等纳米颗粒可以作为磁共振成像( m r i ) 的造影剂，对癌组织的检测更加灵敏， 在癌症的准确诊断方面也发挥了重要的作用。 1 2l2 癌症的治疗 传统的治疗癌症手段包括手术、化疗、放疗以及内分泌治疗等，不可避免 地存在着一定的副作用，使得癌症一直威胁着人类的健康。将纳米材料( 纳米颗 粒或纳米管等) 用于癌症的治疗是目前新* 发展起来的一种新思路。其中包括以 下两个重要的研究方向： 】) 首先将纳米材料输送到肿瘤位点，再对其施加x 射线【8 4 】或红外线1 8 5 - 8 7 】 等外部能量，激活局部毒性反应达到消灭癌细胞的目的： 2 ) 用药物及具有特异性识别功能的生物分子修饰纳米材料成为纳米载体，实 现针对肿瘤组织的靶向性给药1 8 8 1 。 在上述研究领域已有许多研究工作的报道。例如，斯坦福大学的戴宏杰教 授1 s 7 1 制备了d n a 修饰的单壁磺纳米管，发现这种d n a s w n t 在8 0 8 a m 波长 处具有较大的吸收( 图18 上排图b ) ；进一步发现d n a s w n t 溶液在8 0 8 n m 1 4 w c m 2 近红外光的辐射下能够在2 r a i n 内升温至7 0 0 c ( 图18 上排右图) 。由 于癌细胞当环境温度增至4 0 0 c 时就会死亡，于是这种d n a s w n t 能够用于光 热疗法( p h o t o t h e r m a lt h e r a p y ) 。细胞实验证实了当h e l a 细胞吞噬d n a s w n t 后，2 r a i n 的红外辐射能够引起大面积的细胞死亡( 图1 8 下排图c ) ，而没有吞 噬d n a s w n t ( 图18 下i i 图b ) 以及仅施加短时间红外辐射( 图18 。f 排翔a ) 的细胞组却没有任何损伤。 泌 图1 g 基于d n a - $ w n t 的光热疗法实例根据立献【8 7 l 重绘 1 0 第l 章绪论 22 生物传感领域 1 22 1 生物传感器概述 生物体内中存在着无数种物质，它们或是新陈代谢或遗传的基本要素或中间 体，或影响着生命活动的各个方面。对这些物质的检测与分析，能够了解到生物 体内各项生理活动的情况。生物传感器是其中一个重要的工具，属于典型的多学 科交叉的领域，结合了物理、化学、生物及信息科学及其相关技术。可以说，生 物传感器是科学研究应用干实际生活的一个最成功的实铡之一。 生物传感器的原理如图1 9 所示，一般由两部分组成：分子识别元件 ( m o l e c u l a rr e c o g n i t i o n e l e m e n t ) 和换能器( t r a n s d u c e r ) 。分子识别元件是生物传 感器中的关键元件，决定了传感器的功能与质量。识别元件可以是酶、抗原抗 体，核酸、细胞等。而换能器的主要作用是将各种物理、化学或生物的信号转换 成可测量的信号，如电信号等。生物传感器按照分子识别元件或换能嚣的不同有 多种形式，其具体分类如表1i 所示【8 9 】。本节重点介绍酶电化学生物传感器。 _ - - 七”一 图1 9 生物传感器示意图。 表i i 生物传感器的分类，根据文献喁9 】重绘 酶传蹲器 电化学生物传感器 核酸传感器热生物传感器 免疫传缚器 光生物传感器 分子识别元件微生物传感器换能器 声波生物传感器 分子印迹传感器电导阻抗生物传盛器 组织传感器悬臂粱生物传感器 细胞传感器半导体生物传感器 一 毳蠢翻巍e秘囊譬麓镬灞懑懑戳纂辫鬻嚣鞭氍圈雕鳞 第l 章绪论 酶对底物( 待测物质) 具有专一和高效率的催化作用，以酶作为分子识别元 件具有高度选择性的优点。酶电化学生物传感器就是指以酶作为分子识别元件， 通过电化学的方法实现传感功能。通常这种传感器需要把酶固定在电极材料上 其目的是将酶限制在一定的区域内，但同时不妨碍底物的扩散。与游离酶相比， 固定化酶具有热稳定性高、可重复利用、不需要在反应结束后与底物分离等优点。 酶电化学生物传感器的基本原理是：首先固定酶在电极表面，当酶与底物发生反 应时产生某些活性物质( 如h 2 0 2 ) ，通过测定这些活性物质，如活性物质直接或 经由电子媒介体在电极上反应产生电流，就可以测定底物的浓度，选到传摩的目 的。除此之外随着技术的发展，人们还提出了直接电子转移( d i r e c te l “：b o n t r a n s f e r d e t ) 的概念9 0 9 5 。在d e t 中，酶直接固定到电极材料上。电子传 递直接发生在酶的氧化还原中心与电极材料之间，避免了电子媒介体的参与，使 得电极响应更快，灵敏度更高，也降低了体系中非特异性的反应。 通常，酶在电极上的固定方法可以分为六种：夹心法【9 6 】、变联法 9 7 1 、吸 跗法f 9 8 】、共价结合法【9 9 】、包埋法 1 0 0 和微胶囊法b o i l ，如图11 0 所示。每种 方法都有其优势及弊端，例如对吸附法，制各过程不需要化学试齐j ，对酵活性的 影响很小，但酶的固定不牢，易于脱落尤其是在环境条件( p h 值温度等) 改变的时候：交联法具有固定牢靠的优点，但在固定过程中需要小心调节交联剂 的浓度以防止蛋白质中毒。 酗li o 酶在电极上的六种固定方法根据文献【8 9 i 堑绘 评价一个生物传感器的性能，主要有以下几个指标：线性范围( 1 i n e a rr a n g e ) 第l 章绪论 叩生物传感器能够检测的物质浓度的有效范围，响应时间( r e s p o n s e t i m e ) ，最低 检测限( 1 i m i to f d e t e c t i o n ，l o d ) ，灵敏度( s e n s i d v i t y ) 抗干扰性( a n t i - i n t e r f e l _ e n c e a b i l i t y 或选择性s e l e c t i v i t y ) 以及稳定性(