基于光学性质的纳米生物探针设计策略

纳米生物复合探针具有多功能复合、多检测路径、易于信号放大、制备简便等多种优越性。基于其优越的光学性质,人们可以利用常规光学设备实现生物检测,甚至可以实现目视检测。现就本实验室在光学纳米生物探针制备和应用的研究进展作一简要综述,所述纳米生物探针类型主要有:基于表面等离子体效应的纳米生物探针、基于量子效应的纳米生物探针和基于比表面效应的纳米生物探针,并介绍如何应用这些探针进行生物传感和生物芯片的构建。     

硅纳米线在生物传感器中的应用概述

硅纳米线(SiNW)作为一种新型一维纳米材料,具有高比表面积、高稳定性等特点,在传感器领域得到了重视和研究。随着硅纳米线制备工艺优化、修饰方式多样化,以硅纳米线为载体的生物传感器被应用到了金属离子检测、蛋白质检测等诸多领域,较为优良的生物兼容性为生物学研究中的单细胞动态、实时监测提供了途径,电学、光学等不同检测手段也促进了硅纳米线生物传感器的机制研究。在生物化学物质传感检测中,传感器的敏感性、专一性和稳定性是衡量其性能的重要指标。硅纳米线化学性质稳定,为传感器的制备提供了良好的平台,在不同的应用场景中,传感器对硅纳米线的表面修饰提出了较高的要求。为此,研究人员提出了不同的传感机制。在电学信号传感方式中,硅纳米线场效应管(SiNW-FET)通过测量硅纳米线表面电荷变化引发的电导率变化,实现了对目标物质的超灵敏检测。在光学信号传感方式中,荧光分子识别应用较广,当目标物质与受体结合后通过荧光的增强、猝灭,波长的移动等多种方式传递信号,响应较快、检测手段较为便捷。对硅纳米线场效应管生物传感器和硅纳米线荧光传感器的机制与应用进行了概述,对今后硅纳米线在生物传感领域的发展提出了展望。     

基于纳米金复合探针的基因芯片膜转印检测法

建立了一种基于纳米金复合探针的基因芯片膜转印核酸检测新方法。首先,用纳米金颗粒同时标记检测探针P2和两种长短不同且生物素化的信号探针 (T10,T40),其中检测探针与靶DNA 5￠端互补,两种信号探针起信号放大作用。当靶DNA分子存在时,芯片表面捕捉探针P1 (与靶DNA分子3￠端互补) 通过碱基互补配对原则结合靶DNA分子,将其固定于芯片上,同时检测探针通过与靶DNA 5￠端互补配对将纳米金复合探针结合于芯片表面,结果在芯片表面形成“三明治”结构,后通过链霉亲和素-生物素反应,使芯片表面对应有靶DNA分子的部位结合上碱性磷酸酶,最后利用BCIP/NBT显色系统使芯片表面信号结果镜面转印至尼龙膜表面。当检测探针和信号探针摩尔比为1∶10,T10和T40摩尔比为9:1时可以检测1 pmol/L合成靶DNA分子或0.23 pmol/L结核分枝杆菌16S rDNA PCR扩增产物,检测结果通过普通的光学扫描仪读取或肉眼直接判读信号有无。本芯片检测系统灵敏度高,操作方法简单、快速,不需要特殊仪器设备,在生物分子的检测方面具有较高的应用价值。     

基于金属配合物的生物小分子发光探针研究进展

生物体内存在各种内源性活性物质,帮助生物进行信号传递与代谢调控。正常条件下,细胞环境不断变化,内源性小分子的时 空分布在生物体内保持动态平衡。但当它们的种类和浓度超过生理过程所需的限定范围时,就会影响细胞活性,进而导致疾病,甚至 是肿瘤和癌症的发生。因此,这些活性物质在体内活动的实时追踪及可视化对人们理解生命现象、研究疾病发生机制十分重要。与传 统有机染料相比,金属配合物发光(荧光/磷光)探针因光稳定性好、生理功能易调控等优势,已成为生物体系小分子活性物质示踪和 成像的研究热点。依照不同的作用靶点,对应用于生物体系的金属配合物探针的最新进展进行分类和总结,并展望金属配合物在生物 成像中的未来应用,以期可以为人们继续设计出新的具有良好示踪成像性能金属配合物探针提供参考,并从分子水平理解探针作用及 癌症治疗的机制。     

多炔彩虹探针在生物学研究中的应用与展望

多炔彩虹探针(Carbow)是一种基于聚炔支架的超多路复用拉曼探针,通过受激拉曼散射(stimulated Raman scattering, SRS)显微技术可以对振动频率不同的20余种彩虹探针分子进行区分。利用探针分子的特异性修饰, Carbow可以对活细胞内的多种细胞器,以及蛋白质和脂质等大分子进行同时成像。多炔分子的高光稳定性与低细胞毒性结合SRS的多通道光学检测将使Carbow在生物学领域具有巨大的应用潜力。该文综述了基于SRS平台的拉曼标记技术和Carbow的设计合成原理与优势,并对Carbow在活细胞中不同细胞器的特异性标记成像以及在细胞与组织免疫染色、细胞分选与高通量分析中的生物学应用进行总结。最后,对拉曼标记技术的提升改进及其在植物学领域中的应用进行了展望。     

荧光量子点探针及其标记技术

量子点作为一种新型荧光标记物,与有机染料和荧光蛋白质相比,它们具有可调谐且宽的吸收光谱,激发可产生多重荧光颜色、强荧光信号、抗光漂白能力强等独特的光学特性,使其广泛应用在生物和医学领域。该文就量子点探针的表面修饰和功能化及其标记技术的研究进展进行了阐述。     

纳米线在生物医学工程中的应用

纳米线由于其直径大小接近生物大分子,并且纳米线可以作为电子电路物理组成中的一部分,所以在一定范围通过纳米线将生物细胞分子和电子电路进行对接变得可行。该文主要介绍了生物组件通过纳米线实现对生物分子的传感,通过纳米线对细胞的信号检测,以及在生物分子的输送中的应用等的最新发展。     

DNA生物传感器及其研究进展

就ＤＮＡ生物传感器的工作原理,分类、ＤＮＡ探针的固化方法,以及电化学ＤＮＡ生物传感器、光学ＤＮＡ生物传感器及压电ＤＮＡ生物传感器的研究进展、优缺点和发展趋势加以介绍。     

近红外发光卟啉镱-铂配合物的合成及其光物理性质研究

稀土发光材料相比于传统有机荧光染料在生物成像、分子检测和传感等领域具有独特的优势。目前,稀土发光生物探针主要以可见光发射为主,此类探针受限于组织穿透深度,应用范围较窄。具有较大组织穿透能力的近红外(NIR)稀土发光生物探针,由于其发光效率较低而少有报到。本工作合成了一种新型近红外发光的卟啉镱-铂配合物,TFPYb-Pt,表征并测试了该配合物的光物理性质。实验证实TFPYb-Pt具有较大的NIR发光效率(980/1 030 nm,Фem=0.37)和较长的NIR发光寿命(τ=49μs),表明该配合物可望被用于开发新型生物NIR发光探针。     

编码悬浮微块片上多组分并行免疫检测的方法

采用热压印光刻技术制备了一种多金属构成、带数字标识图形的悬浮微块,其中的镍层与金层可分别实现微块的磁控靶向与生物探针的联接。借助微块表面的数字微通孔标识符号,实现了微块的生物探针编码;用异硫氰酸荧光素荧光标记编码的悬浮微块,通过悬浮微块的多组分并行免疫荧光检测,实现了微块的生物探针解码及生物分子的定量检测。这种编码的地址数取决于微块表面的微通孔数,理论上可以成千上万。因此,表面经过生物探针修饰的悬浮微块是建立生物分子编码库的理想途径,可作为基于高通量悬浮阵列技术的免疫分析平台。     

细胞内 NO 的荧光成像

NO是一种具有重要生物学意义的信息分子,在体内具有广泛的生物学特征。但由于NO的自由基性质,使得在活细胞中对低浓度、低寿命的NO实时监测异常困难。为了进一步了解NO在神经、免疫、血管和消化等多种系统中的生理功能,高度专一性的、高灵敏的荧光探针结合激光扫描共聚焦显微镜对活细胞中的NO进行实时、连续的成像已被广泛研究。该综述了近年来NO荧光探针的发展及其在生物成像中的应用。     

核酸探针的原理及应用

近年来核酸探针作为一种基因诊断技术逐渐被人们接受,综述了核酸探针的设计原理、制作方法及其在生物领域中的应用,为中学生物学教学提供参考。     

模板法金纳米簇的制备及其在生物分子检测中的应用

金纳米簇(AuNCs)作为一种新型荧光纳米材料,是由几个到约一百个金原子组成的分子聚集体,因制备简单、光学性质优异以及毒性低等特性,近年来在生物传感领域得到了广泛应用。本文首先对以巯基化合物、树枝状化合物、多肽和蛋白质、寡核苷酸DNA等为模板制备AuNCs的模板法及其优点进行阐述,对AuNCs的紫外吸收、荧光及电化学性质进行介绍,之后重点总结基于荧光AuNCs的生物传感器在生物大分子及小分子检测中的应用,最后对AuNCs应用于生物传感领域所面临的挑战进行分析,并对其应用前景进行展望。     

单分子荧光原位杂交（smFISH）技术及应用

单分子荧光原位杂交（single-molecule fluorescence in situ hybridization,smFISH）技术是一种通过用偶联荧光基团的寡核苷酸探针,对固定细胞或组织中单个mRNA分子进行成像的方法。smFISH可对RNA进行定位、定量,以此对目标转录本进行实时研究。smFISH适用于细胞、组织切片等多种类型生物样本。近年来,多种基于基础smFISH的改进技术被发明,进一步促进了该技术的实际应用。smFISH良好的RNA单分子可视化能力,使得其在发育生物学、神经生物学及肿瘤生物学等基础生物学科中得到了广泛的应用。本文综述了smFISH技术基本原理、smFISH技术的局限性、smFISH衍生技术方法、smFISH在不同生物学科中的应用进展,并对smFISH技术的发展前景做出展望。     

几种先进的光学纳米探针在光学生物诊疗中的应用

先进的光学纳米探针对于生物组织的光学成像、疾病的诊断和治疗具有巨大的促进作用,尤其是对于生物体分子水平活动的动态信息的深入了解。新型的光学探针如纳米金棒、上转换纳米颗粒和氧化石墨烯等,能克服传统探针的一些不足,具有较高的对比度、稳定性和生物兼容性,而且还拥有深层组织成像和实时动态成像的能力。本文对这些纳米光学探针的光学性质和优点进行了简要的介绍,并通过综述作者及其他研究者在过去几年的研究成果,总结这些先进的纳米探针在生物成像和医学诊断、治疗方面的应用,并展望其应用前景。     

基于荧光蛋白的荧光共振能量转移探针的构建及应用

荧光共振能量转移(fluorescence resonance energy transfer,FRET)是基于荧光基团供体和荧光基团受体间偶极子–偶极子耦合作用的非辐射方式的能量传递现象。基于荧光蛋白的FRET技术已被广泛用于研究细胞信号通路中蛋白质–蛋白质活体相互作用检测、蛋白质构象变化监测以及生物探针的研制中。基于荧光蛋白的荧光共振能量转移探针使得人们可以在时间和空间层面上研究细胞信号的转导过程。该文简要介绍了四大类基于荧光蛋白的FRET生物探针的设计、研制以及其在生物信号分子检测、活细胞成像以及药物筛选中的应用和进展情况。     

极具有应用前景的生物学检测技术-生物传感器

生物传感器是近年逐渐发展起来的一种高新生物学分析检测技术,它将生物学或仿生学信号感应部件紧密连接或整合到传感系统内,具有特异、敏感、快速、便携以及操作简便等优点,发展非常迅速,并且被应用到医疗保健、食品工业、畜牧兽医等多个领域,已成为人们研究的热点之一。本文概述了生物传感器的概念与工作原理、分类、与主要领域的研究应用,分析了生物传感器的产业现状,优点与现存问题,并对其应用发展前景进行了展望。     

磷烯纳米材料的生物毒性研究进展

磷烯,即单层黑磷（BP）,由于具有直接带隙、显著的结构和功能各向异性、高电荷载流子迁移率等,已经在生物医学、药物输送、生物传感、疾病的诊断和治疗等领域取得了很大的进展。和其他纳米材料相比,磷烯具有更优异的生物相容性和生物可降解性,在生物医药领域有很好的应用前景。虽然已有大量磷烯生物学效应的报道,但磷烯与生物大分子,如核酸、脂质、蛋白质之间相互作用的过程细节仍缺乏系统的研究。目前实验上无法观测磷烯与生物分子相互作用的动力学过程,分子模拟在获取精确动态结构方面具有独特的优势,被广泛应用于纳米材料和生物学领域。本文综述了近年来国内外利用计算机仿真和实验方法在磷烯纳米材料与蛋白质、脂质膜和DNA等生物大分子相互作用方面取得的最新研究进展,对磷烯生物毒性目前的研究进行了评述,并对未来需要解决的问题作了分析。本文将促进磷烯生物学效应的基础研究,也将推动磷烯纳米材料在生物医药领域的应用。     

SPR生物传感器及其应用进展

基于表面等离子体共振 (SPR)技术的光学生物传感器是进行生物分子相互作用分析的一种先进手段。与传统的超速离心、荧光法等相比 ,它具有实时检测、无需标记、耗样最少等特点 ,在药物筛选、临床诊断、食物及环境监控和膜生物学等领域中的新兴应用日益扩大 ,并且已成为生命科学和制药研究的一种标准的生物物理学工具。综述了近几年国际上生物传感器的应用进展情况 ,并简要展望了该技术的发展和应用前景     

跳跃探针式离子电导显微镜技术及其在生物学研究中的应用

跳跃探针式离子电导显微镜(hopping probe ion conductance microscopy,HPICM)技术是一种新型的扫描探针显微镜(scanning probe microscopy,SPM)技术,其能够在生理条件对形态复杂的活体生物样品进行非接触式的纳米尺寸成像。这项新技术克服了传统扫描离子电导显微镜(scanning ion conductance microscopy,SICM)连续负反馈控制会造成样品和探针损坏的缺点,扩大了SICM在生物学研究中的应用范围。本文综述了HPICM技术的基本原理,结合国内外研究现状介绍了HPICM在生物学领域的应用,并对其发展趋势进行了展望。