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精彩书摘

第1章生物功能化纳米探针在光电化学生物传感与成像分析中的应用
　　生命体中开始出现痕量、特定活性物质时，通常预示体系将要或正在发生重要变化。例如，早期肿瘤会产生痕量标志物，并进入血液循环；核酸碱基的突变可能会带来蛋白质或细胞功能的改变；痕量重金属会对蛋白质产生毒性作用，从而引起体内疾病。因此，对生命体中特定活性物质（如小分子、离子、核酸、蛋白质、细胞等）进行高灵敏、高选择性检测具有重要意义。随着纳米科技的发展，性能各异的纳米材料不断涌现，为制备用于生物传感与成像的功能化纳米探针奠定了坚实的基础。将生物功能化纳米探针与光电技术结合，通过研究信号转导机理和分子识别机制，已构筑一系列新型光电化学生物传感器，并用于生物成像分析。
　　本章讨论了生物功能化纳米探针在电化学、光致电化学、电致化学发光以及化学发光和生物发光传感与成像分析中的应用，并对未来的发展前景进行了展望。
　　1.1 生物功能化纳米探针在电化学生物传感分析中的应用
　　电化学分析方法具有灵敏度高、特异性好、分析快速、易于实现集成化和微型化等优点，符合便携式检测装置的基本要求[1-3]。因此，电化学生物传感器已成为特定靶标分析的重要检测技术之一。近年来，随着纳米技术的发展，已设计合成多种生物功能化纳米探针，为发展多功能电化学生物传感器提供了坚实的基础。目前，基于生物功能化纳米探针的电化学生物传感器已被广泛应用于环境监测、食品分析和临床疾病早期诊断等领域。生物传感分析技术对痕量活性物质进行高灵敏、高特异检测的需求日益增加，基于生物功能化纳米探针的电化学生物传感器在其中发挥重要作用[4-6]。
　　1.1.1 概述
　　1.电化学生物传感器基本原理
　　将探针分子和靶标分子之间的反应转换为可定量测定电信号的装置，称为电化学生物传感器。其主要组成部分有感受器（分子识别探针）和换能器（能量转换探针）。分子识别探针通常用于定性和定量感知靶标分子；能量转换探针可以把电极界面上分子识别所产生的变化转换为可以定量测定的特征信号，如电势或电流等。通过对反应前后电信号的变化量进行分析，从而实现靶标分子的准确定量检测。具体来说，电化学生物传感分析过程主要包括：探针的固定、分子识别、识别指示和电化学检测。灵敏度是分析检测过程中的一个重要指标，而探针分子和靶标分子的相互作用情况决定了电化学生物传感器的灵敏度。因此，分子识别元件上探针与靶标分子之间的结合反应是传感分析过程中的重要环节[7]。
　　2.电化学生物传感器分类
　　根据靶标分子加入前后电化学信号发生的变化，电化学生物传感器可以分为信号衰减型和信号增强型两类。在信号衰减型电化学生物传感器中，靶标与探针特异性结合后，会引起电化学信号衰减；反之，在信号增强型电化学生物传感器中，靶标与探针特异性结合后，会引起电化学信号增强。例如，Fan等在2003年报道了一种信号衰减型电化学生物传感器［图1.1（a）］，将具有电化学活性的亚甲基蓝（MB）修饰的发卡结构探针组装在金电极表面，靠近电极表面的MB可以产生强电化学信号[8]。如果体系中含有目标DNA分子，目标DNA会与发卡DNA识别并进行杂交。*后，打开发卡探针形成双链DNA。双链DNA具有较强的刚性，可以使MB远离电极表面，降低电化学信号。Pelossof等报道了一系列基于G-四联体核酸探针的电化学生物传感器［图1.1（b）］，用于检测蛋白质、核酸和生物活性小分子[9]。G-四联体可以与氯化血红素（hemin）特异性结合，产生的复合物具有类辣根过氧化物酶的催化性质，当体系中含有过氧化氢时，过氧化氢可以被催化分解产生水和氧气，从而增强电化学信号。
　　按照电化学信号响应分子的来源，电化学生物传感器一般分为免标记型和标记型两类。
　　在免标记型电化学生物传感器中，探针分子不会修饰电化学活性分子。一般将能够产生电化学信号的电活性探针分为三类：溶液扩散型、嵌入型和原位生成型。
　　图1.1 （a）信号衰减型电化学生物传感器[8]；（b）信号增强型电化学生物传感器[9]
　　cDNA：互补DNA；Fc：二茂铁；eT：电子转移
　　习惯上将可以在溶液中形成自由扩散状态的氧化还原对称作溶液扩散型分子探针。铁氰化钾氧化还原对([Fe(CN)6]3-/4-)是一种经典的负电荷溶液扩散型分子探针[10， 11]。如果电极表面修饰有负电荷的核酸探针，那么核酸探针会排斥溶液中的[Fe(CN)6]3-/4-，限制其向电极表面扩散，可检测到较高的电化学阻抗值。如果向体系中加入带有正电荷的靶标分子，使其与负电荷的核酸探针进行识别，核酸的负电性大大降低，[Fe(CN)6]3-/4-能够自由扩散到传感器表面，在电化学信号上会呈现较低的电化学阻抗值。因此，利用电化学阻抗的变化可实现靶标分子的定量检测。如图 1.2 所示，Gao 等利用pH诱导 i-motif核酸构象进行可逆转换，在酸性环境下胞嘧啶呈现半质子化状态，核酸趋向 i-motif 构象，分子正电性增强，[Fe(CN)6]3-/4-能够更好地在电极表面产生电子传递，利用电化学阻抗的信号变化实现了对葡萄糖和尿素的检测[10]。[Ru(NH3)6]3+/2+是一种常用的正电荷溶液扩散型探针[11， 12]。在静电作用下，[Ru(NH3)6]3+/2+倾向于与带负电荷的核酸相互作用，并且与双链核酸的作用力会显著高于单链核酸。对[Ru(NH3)6]3+/2+的电化学信号变化进行分析能够高效识别单链核酸和双链核酸[13， 14]。羟基自由基具有剪切DNA的作用，对DNA探针上[Ru(NH3)6]3+/2+的电化学信号进行定量分析，可以实现羟基自由基的灵敏检测。
　　图1.2 溶液扩散型[Fe(CN)6]3-/4-探针用于电化学检测葡萄糖和尿素[10]
　　嵌入型分子探针主要以非共价键的形式嵌入核酸骨架中，且单链核酸吸附探针分子的能力明显低于双链核酸。这类探针多以平面的多环芳香分子为主，如柔红霉素、亚甲基蓝等[15， 16]。吸附探针的量越大，产生的电化学信号越强，根据电化学信号的变化强度，可以实现单链与双链核酸的区分，也可以用于靶标分子的灵敏检测。例如，Tang等将亚甲基蓝嵌入到DNA链中，利用电化学信号的变化实现了癌胚抗原[17]和核酸[18]的灵敏检测。Li等发现氧化石墨烯（GO）与亚甲基蓝之间具有较强的静电吸附作用（图1.3），GO可以吸附大量的亚甲基蓝，从而使电化学信号增强。基于这种思路，他们提出了基于GO信号放大作用的免标记型高灵敏传感器用于腺苷三磷酸和凝血酶的电化学检测[19]。
　　图1.3 嵌入型亚甲基蓝（MB）探针用于电化学检测凝血酶和ATP[19]
　　TBA：凝血酶的适配体；ABA：腺苷三磷酸的适配体；ADNA：锚定DNA；ATP：腺苷三磷酸；GO；氧化石墨烯
　　近几年兴起的贵金属纳米簇探针属于原位生成型分子探针[20-24]。具有多个连续胞嘧啶序列的核酸探针和硝酸银在还原剂（如硼氢化钠）作用下，可以形成具有光化学性质和电化学活性的银纳米簇。因此，原位生成纳米簇的方法已被广泛用于构筑高灵敏的光电化学生物传感器[25-32]。如图1.4所示，Zhang等利用银纳米簇对H2O2的电催化性质，首次提出将以DNA为模板合成的银纳米簇作为电活性探针构筑免标记型电化学生物传感器，成功实现了 miRNA 的高灵敏检测[33]。Tang课题组利用滚环放大技术，结合银纳米簇的电催化性质，构筑了对甲胎蛋白高灵敏、特异性检测的电化学生物传感器，检测限低至0.8 pg/mL[27]。
　　图1.4 原位生成型银纳米簇探针用于检测miRNA[33]
　　MCH：巯基己醇
　　标记型电化学生物传感器通常是将亚甲基蓝、二茂铁等电化学活性分子以共价键的形式修饰到核酸、蛋白质等生物分子上。通过精确设计，靶标分子与核酸探针结合后，探针的构象发生变化，从而改变电活性探针与电极界面间的距离，使相应的电化学信号强度也随之发生变化。通过测定电化学信号的变化值，可以实现对靶标分子的精确定量分析。例如，Ren等提出了一种标记型DNA电化学生物传感器，利用靶标蛋白与MB标记的发卡探针的特异性结合，使MB脱离电极表面，根据电化学信号的降低实现靶标分子的高灵敏测定[34]。如图1.5所示，Gao等利用MB标记的DNA作为信号探针，结合DNA链置换反应，实现了可再生DNA电化学传感器对p53基因单核苷酸多态性的灵敏检测[35]。
　　图1.5 亚甲基蓝共价键标记的核酸探针用于检测p53基因单核苷酸多态性[35]
　　et：电子转移；SDR：链置换反应
　　1.1.2 贵金属纳米探针在电化学生物传感分析中的应用
　　贵金属纳米粒子通常是指金（Au）、银（Ag）、铂（Pt）、钯（Pd）等元素及其相应的双金属、三金属合金或核壳纳米粒子。由于其尺寸和形状可以根据需求进行调节，因此可以产生许多独特的物理化学性质[36]。基于贵金属纳米粒子构建生物功能化纳米探针，并结合信号放大技术，制备电化学生物传感器，可以极大改善检测的灵敏度和选择性。因此，设计低毒、安全的贵金属纳米探针在生化分析领域有广阔的应用前景[37]。
　　1.金纳米探针
　　金纳米探针具有许多独特的性能，如精细可调的理化性质、比表面积大、稳定性好等。这些优越的性能为金纳米探针在电化学传感器领域的快速发展提供了有利条件[38-40]。生物功能化金纳米探针具有制备方法简单快速、稳定性好、生物相容性强、电化学性能好、电位范围宽、催化活性高等优点，是电分析领域*具发展前景的纳米材料之一。
　　由于金纳米粒子与多种药物、生物标志物具有较好的生物相容性，因此生物功能化金纳米探针在纳米医学领域得到了广泛的应用[39，41，42]。据报道，血浆S-亚硝基硫醇衍生物（RSNOS）的浓度与炎症等疾病密切相关[43， 44]。Baldim等提出利用金纳米探针构建传感检测平台，并将其成功应用于生物介质中RSNOS的灵敏检测，检测限可低至100 nmol/L[43]。Taladriz-Blanco等以金纳米探针为基础制备了用于检测RSNOS的电化学传感器，在含有游离硫醇的条件下，采用超微电极实现了对RSNOS的分解[44]。如图1.6所示，Wang等利用静电吸附法，将金纳米粒子固定在金属-金属卟啉网络上，建立了基于Au NPs/MMPF-6（Fe）
　　图1.6 基于Au NPs/MMPF-6（Fe）纳米探针的羟胺电化学传感器[45]

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目录
总序
前言
第1章生物功能化纳米探针在光电化学生物传感与成像分析中的应用 1
1.1 生物功能化纳米探针在电化学生物传感分析中的应用 1
1.1.1 概述 2
1.1.2 贵金属纳米探针在电化学生物传感分析中的应用 6
1.1.3 金属氧化物纳米探针在电化学生物传感分析中的应用 9
1.1.4 碳纳米探针在电化学生物传感分析中的应用 12
1.1.5 二维过渡金属纳米探针在电化学生物传感分析中的应用 14
1.1.6 小结 19
1.2 生物功能化纳米探针在光致电化学DNA传感器中的应用 19
1.2.1 概述 19
1.2.2 基于DNA生物条形码纳米探针的光致电化学DNA传感器 22
1.2.3 基于DNA构象变化的光致电化学DNA传感器 23
1.2.4 基于酶催化的光致电化学DNA传感器 25
1.2.5 基于DNA循环放大技术的光致电化学DNA传感器 29
1.2.6 小结 33
1.3 生物纳米探针在电致化学发光传感分析中的应用 33
1.3.1 概述 34
1.3.2 半导体纳米探针在电致化学发光传感分析中的应用 35
1.3.3 贵金属纳米探针在电致化学发光传感分析中的应用 41
1.3.4 高分子纳米材料在电致化学发光传感分析中的应用 45
1.3.5 金属有机框架材料在ECL传感器的应用 47
1.3.6 小结 48
1.4 生物功能化纳米探针在化学发光和生物发光传感与成像分析中的应用 49
1.4.1 概述 49
1.4.2 生物功能化纳米探针在化学发光传感分析中的应用 50
1.4.3 生物功能化纳米探针在化学发光成像分析中的应用 53
1.4.4 生物功能化纳米探针在生物发光成像分析中的应用 61
1.4.5 小结 71
1.5 展望 71
参考文献 72
第2章芯片表面传感技术在生化分析中的应用 94
2.1 生物功能化纳米材料在表面增强拉曼散射分析中的应用 94
2.1.1 表面增强拉曼散射简介 95
2.1.2 表面增强拉曼传感器检测策略 98
2.1.3 贵金属纳米材料在SERS传感器中的应用 102
2.1.4 复合纳米材料在SERS传感器中的应用 107
2.1.5 展望 111
2.2 生物功能化纳米材料在表面等离子体共振传感器信号放大检测中的应用 112
2.2.1 表面等离子体共振传感器及其信号放大技术简介 112
2.2.2 贵金属纳米材料在表面等离子体共振传感器信号放大检测中的应用 117
2.2.3 磁性纳米材料在表面等离子体共振传感器信号放大检测中的应用 123
2.2.4 硅纳米材料在表面等离子体共振传感器信号放大检测中的应用 124
2.2.5 碳基纳米材料在表面等离子体共振传感器信号放大检测中的应用 126
2.2.6 展望 133
2.3 石英晶体微天平在生化分析中的应用 133
2.3.1 石英晶体微天平简介 133
2.3.2 基于生物分子偶联的信号放大技术在生化分析中的应用 137
2.3.3 基于金属纳米颗粒偶联的信号放大技术在生化分析中的应用 138
2.3.4 基于金属离子还原的信号放大技术在生化分析中的应用 142
2.3.5 基于生物催化生成沉淀的信号放大技术在生化分析中的应用 144
2.3.6 基于DNA杂交/复制的信号放大技术在生化分析中的应用 145
2.3.7 基于晶体原位生长的信号放大技术在生化分析中的应用 148
2.3.8 展望 149
参考文献 150
第3章上转换纳米材料在生物分子检测、荧光成像分析及肿瘤诊疗一体化中的应用研究 163
3.1 上转换纳米材料概述 163
3.2 上转换纳米材料的发光机制 164
3.3 上转换纳米材料的可控制备方法 166
3.3.1 合成疏水性上转换纳米材料 166
3.3.2 一步法合成亲水性上转换纳米材料 169
3.4 基于发光共振能量转移的上转换纳米荧光材料在生物分子检测中的应用 170
3.4.1 改变上转换纳米材料和识别配体间的光谱重叠 170
3.4.2 改变上转换纳米材料和识别配体间能量转移距离 177
3.5 上转换纳米颗粒在活体荧光成像中的应用 180
3.5.1 上转换纳米荧光探针实现活体肿瘤的靶向成像 180
3.5.2 上转换纳米荧光探针实现活体多色成像 181
3.5.3 发展前景和挑战 182
3.6 上转换纳米颗粒在肿瘤诊疗一体化方面的应用 183
3.6.1 上转换纳米诊断试剂的构建 183
3.6.2 化学药物治疗 188
3.6.3 光动力治疗 197
3.6.4 光热治疗 207
3.6.5 基因治疗 210
3.6.6 免疫治疗 211
3.6.7 联合治疗 213
3.7 展望 216
参考文献 217
第4章纳米孔技术在生化分析中的应用 233
4.1 生物纳米孔的种类及应用研究进展 234
4.1.1 α-HL纳米孔 234
4.1.2 aerolysin纳米孔 234
4.1.3 MspA纳米孔 235
4.1.4 噬菌体phi29 DNA包装马达 235
4.1.5 生物纳米孔分析技术的应用与发展 235
4.2 固体纳米孔的种类及应用研究进展 246
4.2.1 氮化硅 246
4.2.2 二维材料 249
4.2.3 氧化铝 251
4.2.4 聚合物薄膜 253
4.2.5 玻璃毛细管 254
4.3 展望 257
参考文献 258
第5章基于微芯片构建的功能化微纳米材料在肿瘤标志物检测及肿瘤诊疗中的应用 263
5.1 微流控技术 263
5.1.1 微流控技术概述 263
5.1.2 基于液滴的微流控技术 265
5.1.3 小结 270
5.2 基于微芯片的功能化微纳米界面的构建及其在肿瘤标志物活检中的应用 270
5.2.1 基于微芯片的循环肿瘤细胞检测 272
5.2.2 基于微芯片的胞外囊泡检测 281
5.2.3 小结 286
5.3 基于微芯片的功能化微纳米药物的构建及其在肿瘤诊疗中的应用 286
5.3.1 微胶囊 287
5.3.2 纳米乳液 291
5.3.3 纳米颗粒 294
5.4 展望 301
参考文献 302
第6章生物功能化纳米探针在多模态成像分析中的应用 310
6.1 活体成像方式简介 310
6.1.1 PET成像 310
6.1.2 SPECT 311
6.1.3 光学成像 311
6.1.4 磁共振成像 312
6.1.5 超声成像 313
6.1.6 光声成像 313
6.1.7 计算机断层成像 313
6.2 多模态成像 313
6.2.1 融合PET的双模态分子影像纳米探针 314
6.2.2 融合FMI的多模态成像纳米探针 319
6.3 展望 324
参考文献 324
第7章生物功能化碳纳米材料在生物传感、生物成像及诊疗一体化中的应用 328
7.1 碳纳米材料与生物分子之间的作用 328
7.1.1 碳纳米材料分类 328
7.1.2 碳纳米材料与核酸之间的作用 330
7.1.3 碳纳米材料与蛋白质之间的作用 335
7.1.4 碳纳米材料与其他生物分子之间的作用 338
7.2 生物功能化碳纳米材料的制备与性质 338
7.2.1 生物功能化碳纳米材料的制备 338
7.2.2 生物功能化碳纳米材料的性质 342
7.3 生物传感 345
7.3.1 核酸检测 345
7.3.2 蛋白质检测 348
7.3.3 酶活性检测 349
7.3.4 小分子检测 349
7.3.5 细胞检测 350
7.4 生物成像 350
7.4.1 细胞成像 350
7.4.2 活体成像 353
7.5 诊疗一体化 355
7.5.1 癌症治疗方法 355
7.5.2 碳基纳米诊疗试剂的构建 357
7.6 展望 359
参考文献 359
第8章纳米药物载体在肿瘤诊疗一体化中的应用 367
8.1 脂质体纳米药物载体 367
8.1.1 概述 367
8.1.2 脂质体纳米药物载体的应用研究 369
8.1.3 商业化的脂质体纳米药物载体 378
8.1.4 小结 378
8.2 介孔硅纳米药物载体 379
8.2.1 介孔硅纳米材料 379
8.2.2 介孔硅纳米材料在肿瘤诊断方面的应用 379
8.2.3 介孔硅纳米材料在肿瘤治疗方面的应用 385
8.2.4 介孔硅纳米材料在诊疗一体化上的应用 389
8.2.5 小结 396
8.3 DNA纳米药物载体 396
8.3.1 DNA自组装纳米技术简介 397
8.3.2 DNA纳米药物载体的种类及其在肿瘤诊疗一体化中的应用 398
8.3.3 小结 409
8.4 金属有机框架载体 410
8.4.1 金属有机框架概述 410
8.4.2 金属有机框架材料在肿瘤治疗中的应用 411
8.4.3 小结 425
8.5 展望 426
参考文献 426
第9章光热纳米材料在肿瘤诊疗一体化中的应用 443
9.1 概述 443
9.2 贵金属纳米材料 447
9.2.1 金纳米材料 447
9.2.2 银、铂、钯纳米粒子 452
9.3 碳纳米材料 453
9.3.1 碳纳米管 454
9.3.2 石墨烯 456
9.3.3 类石墨烯纳米材料 457
9.4 过渡金属纳米材料 458
9.4.1 磁性纳米粒子 458
9.4.2 铜基半导体 460
9.4.3 钨基半导体 461
9.5 共轭聚合物 462
9.5.1 聚多巴胺 462
9.5.2 聚吡咯 464
9.6 复合光热材料 466
9.7 光热治疗与成像 469
9.8 展望 473
参考文献 474
第10章 siRNA纳米递送体系在肿瘤基因治疗中的应用 482
10.1 概述 482
10.1.1 RNA干扰机理 483
10.1.2 siRNA纳米载体在肿瘤治疗中面临的挑战 484
10.2 提高纳米载体的稳定性 485
10.2.1 基于静电作用构建纳米载体 485
10.2.2 基于“协同组装”策略构建纳米载体 486
10.3 提高纳米载体的靶向性 487
10.3.1 多肽修饰的纳米载体 487
10.3.2 抗体修饰的纳米载体 488
10.3.3 核酸适体修饰的纳米载体 488
10.4 基于内源性刺激因素诱导释放siRNA的纳米载体设计策略 489
10.4.1 氧化还原环境触发纳米载体释放siRNA 490
10.4.2 酸性pH触发纳米载体释放siRNA 492
10.4.3 酶触发纳米载体释放siRNA 495
10.4.4

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