纳米荧光传感器的研究进展及在生物与环境中的应用_杨伟金.pdf

201917 科研开发99 Modern Chemical Research 当代化工研究 纳米荧光传感器的研究进展及在生物与 环境中的应用 ＊杨伟金 徐思雯 姜维娜* 姜海建 （南京师范大学泰州学院化学与生物工程学院 江苏 225300） 摘要近年来，纳米荧光传感器应用在生物和环境监测、细胞成像、疾病诊断和治疗上的得到了人们的广泛关注。本文对纳米荧光传感 器的进行分类,并概述各类纳米荧光传感器的特点以及国内外发展现状，为新型荧光纳米传感器的发展提供思路。 关键词荧光；纳米；传感器 中图分类号TP212 文献标识码A Research Progress of Nano Fluorescence Sensor and lts Application in Biology and Environment Yang Weijin, Xu Siwen, Jiang Weina*, Jiang Haijian Chemistry and Biological Engineering School, Taizhou College, Nanjing Normal University, Jiangsu, 225300 AbstractIn recent years, the application of nano-fluorescent sensors in biological and environmental monitoring, cell imaging, disease diagnosis and treatment has received extensive attention. In this paper, nano-fluorescent sensors are classified, and the characteristics of various types of nano-fluorescent sensors and their development status at home and abroad are summarized, providing ideas for the development of new fluorescent nano-sensors. Key wordsfluorescence；nanometer；sensor 纳米荧光传感器在生物和环境监测、细胞成像、疾病 诊断和治疗上得到了广泛应用，其具有光学性能稳定、量子 产率高、良好的生物相容性，能够充分与细胞或者细胞组织 结合，多用于生物样品的染色和免疫标记。并且纳米粒子表 面修饰氨基、羟基、羧基和巯基等亲和性的物质[1]，实现对 不同部位定向染色。此外，一般的荧光有机探针的分子能级 是不连续的，如果要同时检测多个光学信号，必须通过不同 的激光源激发。而纳米粒子的尺寸和组成决定了纳米荧光传 感器在特定能级下的发光性能，其在单一的激光源激发下可 以得到不同的颜色[2]，可以同时检测多个光学信号。随着纳 米技术的发展，一些灵敏度高、选择性好、响应快速的纳米 传感器已经被应用于医疗、环境等领域以及重金属的检测。 1.金属纳米粒子荧光传感器 近年来，随着纳米科技的兴起，金属纳米粒子作为荧光 传感器得到越来越多的关注和研究。由于纳米粒子的小尺寸和 表面效应，使其拥有特殊的光学和电学性质，并且具有良好的 稳定性。金属纳米粒子具有良好的生物相容性，可以通过细胞 吞噬作用进入到细胞内部，已成为对细胞染色、免疫标记非常 有发展前景的一类材料。以金纳米粒子为例，它的荧光光谱已 经得到了较为广泛的研究，主要研究内容是荧光基团包覆金纳 米粒子的荧光光谱，其中常见的荧光物质有罗丹明类、香豆素 类、氮硼类等等。实验表明，纳米金属（Au，Ag）粒子可以增 强荧光物质的荧光强度，辐射衰减率，以及荧光量子产率，这 是由于包覆在金属纳米粒子表面的荧光基团会出现共振能量转 移，这种现象在生物和材料领域都引起了极大的关注。诸如一 种使用硅包银核壳结构增强基底表面待分析物的荧光的方法。 实验制备了壳层厚度分别为约3nm和约15nm的AgSiO2纳米粒 子，作为增强剂使用。将增强剂滴加在自组装了孟加拉玫瑰红 染料单层膜的固体基底表面上，与滴加之前进行比较，可以获 得显著增强的荧光。使用壳厚约3nm的纳米粒子，最大增强因 子约为27倍；使用壳厚约为15nm的纳米粒子，最大增强因子约 为11.7倍。实验结果表明该方法对基底表面待分析物的表面分 析具有潜在的应用价值。 2.发光量子点荧光传感器 发光量子点是一种半导体纳米晶体。它由半导体材料 制成的，其尺寸在三个维度都是纳米尺度。半导体量子点的 光学性质取决于半导体中的空穴、电子和它们所在环境的相 互作用。相比较传统的有机染料分子，发光量子点荧光传感 器在光学特性拥有明显的优势。首先，一般染料需在多种激 发光激发下才能得到多种颜色的荧光，而用同一波长的激发 光激发不同粒径大小的量子点，可以同时得到多种标记的颜 色。并且激发波长的范围很宽，适合用于生物标记。其次， 量子点被激发后，可以得到分布狭窄荧光发射峰，同时激发 不同量子点，虽然其光谱特征不同，但是它们的发射光谱不 会出现干扰，这有利于进行生物或环境样本中的多组分检 测。另外，量子点的光学性能明显优于常用的有机染料，主 要体现在具有更高的荧光强度和更好的荧光稳定，以及更长 的荧光寿命，还可以进行多次激发反复使用。另外，其荧光 信号不会随着照射时间的延长而出现光褪色，可以更好的用 于研究细胞中生物分子之间长期相互作用。发光量子点利用 这些光学特性，使其能够成为一种理想的荧光传感器，为分 子生物学和生物工程学的研究提供了有利的工具。实验发 现，进入细胞内部的量子点对细胞的正常生长和功能没有影 响，而且量子点一直保持了较好的荧光稳定性。 3.有机染料标记的纳米粒子荧光传感器 根据纳米粒子基质的不同，可以将有机染料标记的纳米 ChaoXing 201917 科研开发 100Modern Chemical Research 当代化工研究 粒子分为两类。第一类有机染料标记的纳米粒子是高分子微 球，又可分为天然和合成两大类。天然高分子微球主要由多 糖类和蛋白质分子组成，其自身带有反应基团， 可直接用于 生物活性物质的固定化，但对此类纳米微球作为荧光探针的 报道较少。合成高分子微球主要以可以发生聚合的功能性单 体为原料制备，主要方法有功能单体共聚法和微球载体表面 修饰法。通过共聚法在纳米微球中引入功能基团，可以有效 控制微球表面的官能化程度以及聚合物的交联度，并且不易 产生副产物。另一种方法是对纳米微球的表面进行修饰，将 荧光基团或分子修饰到纳米微球的表面，从而得到功能化的 纳米粒子。高分子纳米微球作为一种新型的载体材料，广泛 应用于医学领域，如免疫检测、细胞标记、核酸杂交等的检 测。第二类有机染料标记的纳米粒子是以无机硅核壳型材料 为主体的纳米颗粒。有机染料标记的无机纳米粒子制备方法 简单，光学性质稳定，生物毒性低，可以作为荧光探针对细 胞进行标记。并且可以根据实验的需求，选择不同的荧光染 料和硅烷前体，合成出具有各异发光性质的纳米粒子。有机 染料标记无机硅纳米粒子粒径分布均匀，生物相容性好，易 与生物分子偶联，在细胞生物学、超微化学与免疫检测等领 域将具有重要应用前景。 实验表明，在二氧化硅微球的表面修饰了罗丹明衍生 物，制备出复合荧光传感材料。该荧光纳米微球在PH小于7 的条件下，对亚硝酸根离子有很好的识别作用。随着亚硝酸 根离子的浓度增大，罗丹明二氧化硅微球的荧光发生淬灭， 并且荧光强度的变化与亚硝酸根离子的浓度呈现很好的线 性关系。采用反相微乳法制备SiO2包覆吖啶黄、吖啶橙、藏 红O、茜素红、曙红Y五染料的荧光纳米粒子，探究其荧光光 谱，并与染料自身的荧光光谱比较发现五种染料中，SiO2粒 子包覆的吖啶种黄颗粒其荧光强度提高了约1.5倍，其他四 种被SiO2包覆的染料的荧光强度较其自身的荧光强度有很大 程度的降低，且主峰峰位有一定的偏移。对筛选出SiO2包覆 的吖啶黄进行电镜分析，显示其粒径约30～50nm，且单一不 分散，说明吖啶黄不容易受环境影响，其合适的粒径有望应 用在生物标记、细胞成像等生物领域。 4.聚合物胶束荧光传感器 目前，聚合物纳米胶束多功能荧光传感器不仅使用方 便、易于检测，其具有灵敏度高、选择性好等优点。聚合物 纳米胶束是由双亲性聚合物在水中发生自组装而形成的，其 为疏水性的功能分子提供了合适的空间，形成稳定的胶束荧 光传感器。聚合物纳米胶束的特点主要有①水溶性好。疏 水性荧光染料包埋于纳米胶束载体中，得到能够溶解于水的 荧光纳米胶束；②荧光强度和稳定性高。纳米胶束的亲水性 外壳包裹着疏水染料，将外部环境介质与疏水性分子隔离， 减小外部溶剂对疏水性功能分子性能的影响，因而获得更强 更稳定的荧光。③生物相容性好。荧光纳米胶束具有良好的 生物相容性，有望用于生物体的荧光标记。因此，聚合物纳 米胶束不仅改善了疏水性荧光染料分子的性质，可在胶束外 壳上接枝具有识别功能的生物分子或蛋白酶，对生物体进行 靶向检测或靶向定位，具有很好的应用前景。 Gao等设计合成出一种对pH响应型荧光纳米胶束传感 器。该双亲性纳米胶束具有三嵌段的结构，一段是亲水的 PEG，另外两段是疏水部分一段含有叔胺基团，另一段连 接荧光染料四甲基罗丹明。在正常生理pH下，聚合物自组装 形成胶束，染料被包裹在疏水的内核中，发生荧光共振能量 转移，导致荧光猝灭。当处于pH突变点时，叔胺基团发生质 子化，亲疏水性发生显著变化，胶束被破坏，染料得以释 放，荧光恢复。运用不同pH突变点聚合物胶束可以用来检测 生理pH范围（5.0-7.4），可观察到纳米胶束在细胞中不同 位置的成像。另一种对Cu2离子具有识别作用的荧光聚合物 胶束传感器。其内外层分别是发光水杨醛席夫碱锌配合物的 PHVB-grafi-PEG/Zn2和可溶性的PEG。研究表明，该聚合物 荧光胶束可以发射出蓝色荧光，并且可作为荧光传感器，在 水溶液中对Cu2离子进行选择性识别。随Cu2离子浓度在体 系中不断增大，荧光聚合物胶束的荧光强度发生淬灭，且淬 灭率与铜离子的浓度呈现很好的线性关系。其它共存离子等 对Cu2离子的荧光响应性几乎没有干扰，所以可实现对Cu2 离子进行定量检测。 5.荧光磁性纳米粒子传感器 荧光磁性纳米粒子是将荧光基团通过包覆或接枝的方 式，与磁性的纳米粒子连接，从而制备带有荧光探针效果的 磁性粒子。磁性粒子具有较好的分散性，能和溶液中的目标 待测离子更好地结合，所以检测效果更加快速灵敏。同时， 可以利用磁性粒子自身具有磁性的特点，利用外加磁场对样 品进行吸附，达到分离回收的目的。科研者设计了一种具有 核壳结构的纳米微球，内核是Fe3O4磁性粒子，外层包覆SiO2 层，再用荧光染料罗丹明B对微球进行修饰，制备出可以检测 和吸附Hg2的纳米荧光传感器。另外，该荧光磁性传感器具 有超顺磁性，在外加磁场作用下将分散的纳米粒子进行分离 回收，拓展了纳米荧光传感器的功能和应用。若将卟啉分子 （TPP）修饰到Fe3O4SiO2纳米微球的表面，能制备出可以裸 眼识别Hg2的荧光磁性纳米传感器。纳米微球表面的卟啉分子 可以与溶液中的Hg2发生配位，使得整个体系中的颜色发生很 大变化，易于识别。当样品检测完毕后，利用螯合剂处理溶 液，洗脱后的纳米微球还可以再次使用。该方法简单快捷， 开拓了纳米微球传感器的应用。还有一种能够识别Pb2的荧光 纳米微球传感器。该纳米微球采用磁性的Ni元素作为内核， 外层包覆SiO2层，再在表面接枝BODIPY类荧光探针。微球表 面的BODIPY与Pb2发生络合，引起分子内电荷转移，从而发生 荧光的变化。并且磁性粒子的存在可以对溶液中Pb2进行吸附 回收。将该荧光纳米微球传感器用于人体血液中的Pb2离子的 检测，结果准确，灵敏度好，有很高的吸附率。该方法在检 测金属离子的同时，对于纳米微球传感器在人体内的重金属 离子吸附和靶向治疗具有很高的探索价值。 【参考文献】 [1]樊美公,等.光化学基本原理与光子学材料科学[M].科学出 版社,2001. [2]聂庆,孙晓宇,汪世龙,等.固体脂质纳米粒的研究进展[J]. 华西药学杂志,2005,204328-331. 【作者简介】 杨伟金（1999-），女，汉族，本科，南京师范大学泰州学院 化学与生物工程学院；研究方向多功能材料。 【通讯作者】 姜维娜（1986-）,女，汉族，博士，南京师范大学泰州学院 化学与生物工程学院；研究方向天然产物提取、功能纳米材料。 ChaoXing