化學專業保研手冊-第十二章：化學前沿（納米金在熒光探針領域的應用）

一、納米金廣泛運用於生物化學領域的原因

1. 納米粒子生物相容性好，實時測量時對細胞無損傷或微損傷；

2. 納米金熒光探針具有優良的光譜特徵和光化學穩定性，有獨特顏色變化；

3. 納米金比表面積高，可富集組裝藥物和靶向模塊等，實現藥物輸送和靶向治療；

4. 有功能化的表面，可構建一個多模塊自組裝平台，自由結合寡聚核苷酸鏈、抗體和蛋白質等；

5. 納米金直徑與大多數生物分子（如蛋白質、核酸等）的尺寸相似，這使得納米金能作探針進入生物組織內獲取活細胞甚至亞細胞層次的生物化學信息，特別是實時測量動態生化信息。

二、納米金的定義

納米金（Au Nanoparticles, AuNP）指直徑在1-100nm的微小顆粒，由於在水溶液中通常以膠體金的形態存在，故在生物科學研究中一般將其稱作膠體金。

三、納米金常作熒光猝滅劑的原因

納米材料的表面等離子效應使金銀等貴金屬納米粒子對熒光有優異的猝滅能力，使其在以熒光共振能量轉移（FRET）為基礎的生物感測器材料中經常被用作猝滅劑。

四、非共價吸附的特點

非共價吸附是生物分子與納米金顆粒最簡單的連接方式，操作簡便。主要通過靜電吸附、疏水性相互作用、特異性親和等不同的物理方式連接。生物分子與納米金非共價結合後生物活性基本不變，可實現生物分子的可逆性釋放。

五、金納米粒子具有特殊光學和電子學特性的原因

與塊體金不同，金納米粒子的價帶和導帶是分開的。當金的粒子尺寸足夠小時，會產生量子尺寸效應，導致金納米粒子向絕緣體轉化，並能在不同能級間形成駐電子波。若能級間隔超出一定的範圍，也會同時發生單電子躍遷，並表現出特殊的光學和電子學特性。

六、光熱治療（PTT）的基本原理

在近紅外激光的輻照下，富集於腫瘤或病變組織的近紅外吸光納米材料產生熱量，從而使腫瘤局部快速升溫致蛋白變性死亡。生物體本身的近紅外吸收較弱，近紅外光很容易穿透皮膚作用於與吸光納米材料靶向結合的腫瘤或病變組織，而不引起正常組織的損傷。

七、經典Frens法合成納米金

Frens 通過調整氯金酸與檸檬酸鈉的比例以控制納米粒的大小，這種方法操作簡單、原料便宜，可製備不同尺寸和形貌的金納米粒子。檸檬酸鈉既是還原劑又是穩定劑，使金納米粒吸附檸檬酸根而帶負電。當今，金納米粒子合成的研究主要圍繞如何控制顆粒大小，形狀和表面功能化等方面。

八、晶種法合成納米金粒子

首先利用硼氫化鈉、檸檬酸鈉等強還原劑將金離子還原為小的金納米粒子作晶種，然後採用抗壞血酸、羥胺等弱還原劑，在晶種表面繼續還原金，生成較大的金納米粒子。通過控制晶種和氯金酸的比例可對金納米粒子的形狀和尺寸進行精確控制，同時避免二次成核，也可用於製備棒狀金納米粒子。

九、理想納米生物探針的組成與功能

理想的納米生物探針由分子識別和示蹤兩部分組成，其主要功能是捕捉和識別生物靶分子，並通過標記示蹤基團或納米粒子將分子識別信息傳遞給換能器進行放大檢測。探針的分子識別部分可根據需要來設計和合成，示蹤部分通常是熒光基團、量子點、酶和電活性基團等。每個探針上所攜帶的示蹤基團越多，產生的信號就越強，靈敏度越高。

十、納米火焰的原理

利用雙鏈核酸探針和互補配對靶鏈間的置換反應進行核酸檢測，探針結構由兩條鹼基數目較少、互補配對雙鏈的DNA組成，一端標記熒光基團，一端標記猝滅劑分子。當溶液中不存在靶鏈DNA時，兩者由於DNA鏈的雜交而靠近，熒光被猝滅；當溶液中存在更長靶鏈DNA時，靶鏈與探針鏈競爭雜交，短鏈DNA被置換下來，導致熒光團和猝滅劑分離，從而檢測到熒光信號。

十一、分子信標的原理

分子信標是一種能形成莖環結構的寡核苷酸。其兩端分別標記FRET的能量供體和受體，莖幹部是一段長4-12bp的互補髮夾結構，而中間環狀結構所包含的寡核苷酸是探針對基因的識別配對部分。當目標DNA單鏈不存在時，染料分子接近於納米粒子表面，導致熒光猝滅。當目標DNA存在時，與分子信標中互補序列雜交，信標的髮夾結構被打開，熒光染料遠離納米金球表面，熒光信號得以恢復。此法可檢測單鏈核酸或DNA分解過程。

十二、金納米粒子用於光熱治療（注意與NIR和藥物釋放的聯繫）

金納米棒、金納米殼、金納米籠是三種典型的具有強近紅外光吸收和散射性質的金納米材料，其在近紅外光區的吸收和散射峰位置可以通過調整其尺寸或形貌進行調控，如納米殼層的厚度、納米棒的縱橫比以及納米籠的邊長或壁厚等。此外，金納米棒還具有較強的雙光子激發熒光，可用於熒光成像，而金納米殼的內核中也可以摻雜不同的熒光團，如熒光染料分子或量子點等，從而適用於生物體腫瘤或病變組織的同步熒光成像和光熱治療。

十三、金比色法的原理

金比色法是最早應用金納米粒子表面等離子共振效應（SPR）的光學檢測技術。該方法主要在溶液中進行，常採用粒徑10-20 nm的納米金顆粒。因該尺寸的納米金等離子吸收峰在520nm左右，故溶液呈現紅色，當納米金顆粒間發生聚集時，會導致等離子吸收峰發生較大幅度紅移，使溶液顏色變為藍色甚至紫色。也可利用聚集態納米金作金比色法探針，通過金外連接生物分子等方法使金保持在聚集態，當目標物出現或溶液條件改變時，納米金解聚，顏色由藍色變為紅色。

十四、共價吸附的方法

1. 巰基修飾的寡聚核苷酸、多肽、蛋白質表面的半胱氨酸殘基、血清白蛋白等由於自身存在巰基末端，可以直接與納米金表面形成穩定的 Au-S 共價鍵，可直接共價連接；

2. 在金球表面通過配體交換修飾上一層單分子層（其中與金結合一側帶有巰基，另一側帶有與生物分子上的官能團進行鍵合反應的官能團），進而使得納米金與無巰基的生物分子偶聯；

3. 為了提高所附生物大分子的穩定性，多聚乙二醇（OEG）或聚乙二醇（PEG）也常被用在交聯劑中，目的在於儘可能減少其他材料的非特異性吸附，提高探針的生物相容性。

十五、金納米粒子的特性

1. 熒光特性：將具有熒光性質的分子組裝到金納米粒子表面，該熒光團在激發下發光；通過分子內能量傳遞將表面組裝分子吸收的能量給金納米粒子，使金納米粒子產生輻射發光。在金納米粒子表面組裝上不同的分子後，其表面將發生熒光共振能量轉移。

2. 電化學特性：由於金屬納米粒子的禁帶和導帶間存在帶隙，當納米粒子的粒徑足夠小時，會產生量子尺寸效應，使金屬從導體向絕緣體轉換併產生不連續能級。對於有機單分子層保護的金納米粒子，其表面將存在雙電層電容，其電容值隨著粒子表面烷基鏈長度的減少而逐漸增加。

3. 超分子與分子識別特性：金納米粒子可與很多基團通過范德華力、氫鍵、靜電吸附、π-π鍵、抗原抗體等相互作用結合，可用多種方法進行識別、檢測、分析。另外，金納米粒子與被識別體的官能團結合後也可以誘導超分子結構的形成，使納米金能識別離子、小分子和生物大分子。

4. 表面等離子共振特性：表面等離子共振由金納米粒子表面導帶電子共振產生，與入射光的電磁場有關。這也是金納米粒子在水溶液和玻璃中呈深紅色的原因。隨著金納米粒子的尺寸和形狀發生變化，其表面等離子共振峰位置和形狀也不同，因此可以通過吸收峰的位置以及溶液的顏色變化，判斷金納米粒子的產生、粒徑大小和表面自組裝情況。

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