金纳米棒的表面改性及其在生物医学领域的应用

进展评述

金纳米棒的表面改性及其在生物医学领域的应用

杨玉东　徐菁华　杨林梅

(沈阳工业大学理学院　沈阳　110870)

摘　要　各向异性的金纳米棒由于具有独特的光学性质,在生物医学领域得到了日益广泛的应用。本文综述了金纳米棒的表面改性及其在生物标记与识别、生物成像、癌症诊断和光热治疗等领域中的应用。

关键词　金纳米棒　表面改性　生物医学

Prepara ti on s and Surface M od i f i ca ti on s of Gold Nanorods

for B i om ed i ca l Appli ca ti on s

Yang Yudong,Xu J inghua,Yang L inmei

(Shenyang University of Technol ogy,Shenyang110870)

Abstract　Because of its unique op tical p r operties,the anis otr op ic gold nanor ods have been widely used in bi omedical.The surface modificati ons of gold nanor ods and their app licati ons in the fields of bi omedical including bi orecogniti on,bi ol ogical i m aging,and cancer diagnosis and phot other mal therapy are su mmarized.

Keywords　Gold nanor ods,Surface modificati on,B i omedical

各向异性的金纳米棒(Gold nanor ods,Au NR s),由于其长径比可调,具有化学和光学上的各向异性[1],作为一类新的金纳米粒子已经引起材料科学和生命科学领域的巨大兴趣。在可见光区和近红外区,Au NR s具有横向和纵向表面等离子体共振峰(Surface Plas mon Res onance,SPR)[2～3],且在近红外区的等离子体表面的纵向吸收峰可实现人为调控,对光有强的吸收,以更高效率发出荧光和更强的散射光。

近红外光在生物化学和医学领域的应用中是一个强有力的工具,近红外波长范围正是生物组织具有的光学窗口。使用Au NR s和近红外光不仅能够在体外和体内两次发光成像[4],而且近红外激光照射可以控制Au NR s与质粒DNA络合物中的质粒DNA的释放[5]。另外,笔者还发现[6],近红外激光照射可将Au NR s重新塑型到球形纳米粒子。这种光照反应对于新型的基因传递具有潜在的作用。因此,Au NR s作为细胞成像的探针、光热治疗的载体或基因传递的功能材料是可行的[7,8]。

在应用于生物化学和医学领域中时,要求包含Au NR s在内的各种纳米粒子具有生物相容性和胶体稳定性。在Au NR s制备方法中,十六烷基三甲基溴化铵(CT AB)不仅是支持电解质,而且还是Au NR s的稳定剂和保护剂,得到的Au NR s表面都吸附有CT AB涂层[9]。但是,Au NR s溶液中的CT AB具有高毒性[10],会干扰生物过程,阻碍Au NR s与生物分子的偶联[11]。为了改进Au NR s的生物相容性,如何消除CT AB的影响、实现生物修饰是Au NR s在涉及生物体系应用中需要解决的关键问题。本文重点论述Au NR s的表面修饰及其在生物医学领域中的应用,并展望了它的发展趋势和应用前景。

Au NR s的表面改性有两种途径:一是表面改性材料与粒子表面依靠化学键结合,这通常是指一些小分子化合物;二是用主要包括表面活性剂、高分子材料、DNA生物分子及二氧化硅等有机或无机材料直接包裹Au NR s。

2009204215收稿,2009206229接受

1　有机小分子化合物改性金纳米棒及其在生物医学领域的应用

许多小分子化合物,如巯基化合物、己二酸等,都能与Au NR s表面形成牢固的化学键。它们与Au NR s结合后形成具有良好生物相容性的金纳米棒/有机小分子复合物,在Au NR s之间产生相互排斥力,从而使Au NR s具有稳定的分散性。通过小分子表面改性后的Au NR s再经化学或生物等方法功能化后,可以被广泛应用于生物分离、蛋白质检测和医学成像等生物医学领域。

巯基化合物是Au NR s的强配体,对Au NR s有强的钝化作用。近些年来,人们已经尝试了利用各种含有巯基的化合物作为配体合成Au NR s,作为配体,它可以通过调节其分子结构和烷基链长来调控Au NR s 的稳定性和亲疏水性。由于巯基化合物中的巯基官能团与Au NR s有很强的相互作用,因此巯基化合物配体保护的Au NR s在多数环境和条件下都具有很好的稳定性,这对于Au NR s在生物医学领域中的应用是至关重要的。

Irudayaraj等[12]利用112巯基十一酸(MUA)修饰3种不同比率(AR=211、415、615)的CT AB分子稳定的Au NR s的{111}晶面,进而偶联3种不同的抗体分子(羊抗人I gG Fab、兔抗鼠I gG Fab、兔抗羊I gG(H+L))。通过检测由于免疫识别作用诱导的Au NR s的局部表面等离子共振(LSPR)产生的红移,实现了对3种目标分子(人I gG1Fab、鼠I gG1Fab、羊I gG(H+L))的同时检测。在Au NR s的表面修饰和检测的过程中,Au NR s始终分散在5mmol P L的CT AB溶液中,Au NR s的稳定性大大提高了。这种使用不同比率的Au NR s的检测方法将提供一个多元光学检测的平台,并在免疫检测和疾病治疗方面有广泛和潜在的应用。Chilkoti等[13]利用Au NR s制备的颗粒膜用于蛋白分子的检测。他们将CT AB分子稳定的Au NR s固定到巯基修饰的玻璃基片上,然后用三乙氧基巯醇(EG3SH)和巯基十六酸(MHA)修饰基片并生物素化,得到可以用于检测链霉亲和素(strep tavidin)的蛋白传感器。该方法在磷酸缓冲液中的蛋白检出限为94pmol/L,在血清(seru m)中的检出限为19n mol/L。

图1　在己二酸修饰下调控pH使CTAB保护的金纳米棒以侧面到侧面方式组装[15]

F i g.1　Self2a sse m bly si de2to2si de of gold nanorods protected by CTAB[15]

随后,Mur phy等[14]又把正电荷CT AB保护的Au NR s组装到负电荷巯基己酸修饰的玻璃片上,Au NR s的沉积密度也可以调控。他们[15]还发现,当把己二酸加入正电荷CT AB稳定的Au NR s溶液中,在pH低于己二酸的p K a(如pH=3)时,Au NR s没有聚集,而在pH=7～8,Au NR s以侧面到侧面在方式组装(图1)。这是由于己二酸脱质子化作用呈负电荷,在正电荷CT AB稳定的Au NR s之间起到一个桥梁的作用,提高了Au NR s在溶液中的稳定性。这在生物检测领域有巨大应用潜力。

2　表面活性剂及聚合物改性金纳米棒及其在生物医学领域的应用

表面活性剂及聚合物能够依靠化学结合或物理吸附等方法在Au NR s表面形成单层或双层结构。带有功能团的表面活性剂或聚合物,可以绑定在Au NR s的表面,从而改变Au NR s的表面性质。适合