描述
开 本: 16开纸 张: 胶版纸包 装: 精装是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787030418371丛书名: 纳米科学与技术
编辑推荐
《纳米生物检测》可供有关专业人员参考阅读，也可供高等院校的本科生和研究生阅读参考
内容简介
《纳米生物检测》由活跃在纳米与生命分析化学交叉前沿研究领域的多位科学工作
者结合自己的研究实践精心撰写而成。反映了新型纳米材料与探针以及纳
米技术在生物检测领域应用的*研究成果，包括对纳米技术在生物检测
中应用的一些独到见解。《纳米生物检测》共19章，检测方法内容涵盖了新型纳米材料
与探针的制备以及纳米检测；检测对象涉及细胞、病原体、肿瘤以及体液样
品等。
者结合自己的研究实践精心撰写而成。反映了新型纳米材料与探针以及纳
米技术在生物检测领域应用的*研究成果，包括对纳米技术在生物检测
中应用的一些独到见解。《纳米生物检测》共19章，检测方法内容涵盖了新型纳米材料
与探针的制备以及纳米检测；检测对象涉及细胞、病原体、肿瘤以及体液样
品等。
目 录
《纳米科学与技术》丛书序
前言
第1章基于纳米孔的高灵敏度生物传感分析技术1
1.1纳米孔技术简介1
1.2蛋白米孔和态纳米孔2
1.3.溶血毒素用于DNA测序4
1.4纳米孔用于小分子的检测6
1.5纳米孔用于生物大分子的检测8
1.6纳米孔用于DNA中单核苷酸多态性的检测11
1.7纳米孔用于实际样品中小分子RNA的检测12
参考文献15
第2章稀土荧光纳米探针在生物检测中的应用19
2.1稀土离子的性质和发光特性20
2.1.1线状的荧光光谱21
2.1.2能级丰富,荧光可调21
2.1.3大的Stokes位移23
2.1.4长的荧光寿命23
2.1.5上转换荧光24
2.2稀土荧光纳米探针的设计与修饰26
2.2.1镧系离子-有机配体复合物纳米探针26
2.2.2稀土掺杂的无机晶体荧光纳米探针26
2.2.3稀土荧光纳米探针的表面修饰27
2.3稀土纳米撕在生命分析中的应用30
2.3.1DNA检测30
2.3.2蛋白质检测31
2.3.3细胞计数34
2.3.4过氧化氢检测35
2.3.5谷胱甘肽检测35
2.3.6pH检测36
2.3.7葡萄糖检测37
2.3.8氰根离子检测37
2.3.9汞离子检测38
2.3.10铜离子检测39
2.4展望39
参考文献40
第3章用于生物检测的静电纺丝技术45
3.1静电纺丝的制备概述45
3.2静电纺丝的功能调控47
3.2.1直径48
3.2.2形貌49
3.2.3孔径51
3.2.4材料52
3.3静电纺丝在生化分析中的应用53
3.3.1气体的分析检测54
3.3.2金属离子的分析检测56
3.3.3生物功能分子的检测57
3.4结论与廳61
参考文献62
第4章基于上转换荧光共振能量转移的均相生物传感68
4.1引言68
4.2荧光共振能量转移69
4.2.1FRET的基本原理69
4.2.2能量转移效率?的测定70
4.2.3现有FRET方法存在的主要问题70
4.3上转换发光纳米粒子71
4.3.1UCNPs的概况71
4.3.2UCNPs的发光机理71
4.3.3UCNPs材料结构73
4.3.4UCNPs的发光调控75
4.3.5UCNPs的制备方法77
4.3.6UCNPs的表面功能化78
4.4UC-FRET生物传感80
4.4.1有机染料作能量受体81
4.4.2纳米金作能量受体89
4.4.3碳纳米材料作能量受体92
4.4.4其他纳米材料作能量受体97
4.5结论与展望99
参考文献100
第5章基于量子点的多色荧光检测技术及其应用108
5.1多色荧光检测技术的提出108
5.2多色荧光检测技术在DNA分析中的应用109
5.3多色荧光检测技术在蛋白质分析中的应用113
5.4双色荧光检测技术在病毒检测中的应用114
5.5多色荧光检测技术在细胞成像中的应用116
5.6微流控芯片多色量子点编码及应用120
5.7微流控芯片多色荧光可视化检测技术及应用123
5.8多色荧光检测技术发展前景128
参考文献128
第6章DNA结构介导的纳米生物传感器131
6.1线性单链DNA探针(一维DNA探针)131
6.1.1DNA分子在表面上的构象132
6.1.2界面上相邻DNA探针分子之间的距离效应134
6.2二维DNA探针(具有二级结构DNA的探针)137
6.3三维DNA探针141
6.4DNA折纸芯片143
6.5DNA生物传感器的应用147
6.5.1DNA生物传感器用于单核苷酸多态性的检测147
6.5.2DNA传感器用于microRNA生物标记物的检测150
6.5.3病原体的检测155
6.6结论与廳156
参考文献157
第7章用于动物重大疫病检测的量子点生物探针164
7.1量子点生物探针用于动物重大疫病病毒检测165
7.1.1引言165
7.1.2量子点探针的制备166
7.1.3应用量子点探针检测动物重大疫病病毒166
7.2量子点生物探针用于动物重大疫病病原菌检测170
7.2.1引言170
7.2.2应用量子点探针检测动物重大疫病病原菌171
7.3量子子生物撕鮮于物重大疫疫致病机麵究175
7.3.1引言175
7.3.2量子点标记病毒的方法176
7.3.3荧光显微镜177
7.3.4应用量子点生物探针研究动物重大疫病致病机理177
参考文献179
第8章利用原子力显微和识别成像技术研究细胞膜结构183
8.1概述183
8.1.1原子力显臟的结构和成像原理183
8.1.2原子力显臟的成像模式183
8.1.3原子力显臟探针的结构185
8.1.4原子力显臟探针的功能化186
8.1.5分子识别成像显臟的原理187
8.2AFM在液相条件下的高分辨成像188
8.2.1AFM成像基底的制备188
8.2.2AFM现场流动样品池技术189
8.2.3AFM对核酸?染色质结构的研究190
8.2.4AFM对蛋白质成像的研究191
8.2.5分子识别成像对蛋白质糖基化的研究193
8.3AFM对细胞膜结构的酿195
8.3.1细胞膜样品的制备197
8.3.2AFM研究红细胞膜结构197
8.3.3红细胞膜脂筏结构的研究204
8.3.4AFM对脂筏功能性的研究208
8.3.5AFM对线粒体膜结构的研究210
8.4小结213
参考文献213
第9章基于核酸适配体的肿瘤细胞和活体检测216
9.1引言216
9.2核酸适配体在细胞生命活动监测中的应用219
9.3核酸适配体用于肿瘤细胞分子分型221
9.4核酸适配体功能化的分子探针在活体分析检测中的应用223
9.5核酸适配体功能化的纳米材酬于肿瘤细胞和活体的分析检测…226
9.5.1核酸适配体功能化金纳米探针在肿瘤细胞检测中的应用226
9.5.2核酸适配体功能化磁性纳米探针在肿瘤细胞和活体分析检测中的
应用228
9.5.3核酸适配体功能化纳米荧光探针在肿瘤细胞和活体分析检测中的
应用230
9.5.4基于核酸适配体功能化纳米探针的其他检测方法234
9.6微流控芯片技术234
9.7总结236
参考文献236
第10章纳米颗粒的组装及在生物检测中的应用242
10.1纳米材料的自组装242
10.1.1自组装的概念242
10.1.2分子自且装合成新颖的纳米结构245
10.1.3以纳米颗粒为基本单元的自且装246
10.1.4电磁场诱导的纳米颗粒自装249
10.2纳米材料组装体的集体性质253
10.2.1纳米材料组装体中存在的相互作用253
10.2.2纳米材料组装体集体光学性质254
10.2.3组装对于纳米材料的集体磁学性质的影响259
10.3基于纳米颗粒组装后集体性质变化的生物检测方法261
10.3.1利用贵重金属纳米颗粒组装的生物检测261
10.3.2利用磁性纳米颗粒组装的生物检测265
10.4组装在构建生物检测器件中的作用266
10.5总结与展望268
参考文献269
第11章纳米探针的细胞电化学传感273
11.1电化学传感器273
11.2纳米探针274
11.2.1纳米材料简介275
11.2.2零维纳米探针275
11.2.3一维纳米探针281
11.2.4二维纳米探针285
11.3细胞固定及仿生界面的构建288
11.4肿瘤细胞检测289
11.4.1纳米电化学阻抗传感289
11.4.2靶向细胞检测290
11.4.3基于适配体的纳米细胞电化学传感291
11.4.4基于细胞表面麵的纳米细胞电化学传感293
11.5基于纳米探针的细胞凋亡电化学传感器294
11.5.1细胞凋亡简介294
11.5.2细胞凋亡的检测技术295
11.5.3细胞凋亡的电化学检测297
参考文献302
第12章细胞光散射成像分析311
12.1引言311
12.2细胞光散射成像的特点311
12.2.1光散射成像及显微光谱技术311
12.2.2光散射纳米探针313
12.2.3细胞光散射成像的影响因素314
12.3细胞实时光散射成像及传感分析314
12.3.1活细胞标记?成像和示踪315
12.3.2活细胞内生物分子传感及实时监测321
12.4纳米标记对细胞光散射成像分析的影响325
12.4.1光散射纳米探针的细胞生物相容性325
12.4.2光散射纳米探针对细胞?组织和胚胎的影响326
12.4.3光散射纳米探针应用于细胞成像分析面临的主要挑战327
12.5存在的问题及未来发展方向327
12.5.1存在的问题及其可能的解决方案327
12.5.2未来潜在的发展方向328
参考文献328
第13章拉曼光谱与增强拉曼光谱在细胞检测中的应用333
13.1拉曼光谱和增强拉曼光谱的基本原理334
13.1.1光的散射334
13.1.2拉曼光谱335
13.1.3共振拉曼光谱336
13.1.4表面增强拉曼光谱336
13.2SERS細胞体系細中基本方法学340
13.2.1直接检测340
13.2.2间接检测343
13.2.3数据分析346
13.3拉曼光谱和增强拉曼光谱的仪器技术发展347
13.3.1拉曼光谱及其联用技术347
13.3.2成像技术350
13.4SERS和拉曼光谱在细胞体系的应用352
13.4.1细胞分类与检测352
13.4.2细胞内微环境的检测355
13.4.3细胞生命过程监测357
13.4.4纳米材料在细胞内的监测362
13.5现存问题及展望367
参考文献370
第14章用于细胞实时探测的纳米电化学探针技术376
14.1概述376
14.2纳米电极优良的电化学特性376
14.3纳米电极的制备377
14.3.1纳米带电极377
14.3.2纳米盘电极378
14.3.3纳米锥电极380
14.3.4碳纳米管电极382
14.3.5纳米孔电极382
14.3.6纳米电极阵列384
14.4纳米电化学传感器实时探测细胞信号分子387
14.4.1纳米电化学探针高时空分辨监测信号分子释放387
14.4.2突触间隙内部探测388
14.4.3细胞内部实时探测389
14.4.4基于扫描电化学显臟探针的细胞实时监测389
14.5纳米电极阵列用于细胞实时探测393
14.5.1纳米电极阵列实时监测细胞胞吐与电生理研究394
14.5.2纳米线场效应晶体管阵列用于细胞电生理研究395
14.6总结与展望397
参考文献397
第15章面向肿瘤研究的量子点标记生物探针402
15.1引言402
15.2量子点的性质及其水溶性化修饰403
15.2.1量子点的荧光性质403
15.2.2量子点的合成与表面化学性质406
15.2.3量子点水溶性化修饰407
15.3生物探针构建中常用的靶向单元及标记策略412
15.3.1氨基酸?多肽和蛋白质的性质及其标记策略412
15.3.2核酸的性质及其标记策略414
15.4基于量子点标记的生物探针构建策略415
15.5基于量子点标记的生物探针在肿瘤研究中的应用418
15.5.1基于量子点标记的生物探针在肿瘤检测中的应用418
15.5.2基于量子点标记的生物探针在肿瘤转移相关研究中的应用423
15.5.3基于量子点标记的生物探针在肿瘤异质性研究中的应用425
15.5.4基于量子点标记的生物探针在肿瘤研究中的机遇和挑战427
参考文献428
第16章肿瘤磁共振诊断用磁性纳米材料的研究进展434
16.1磁性纳米造影剂的原理434
16.1.1磁性纳米材料的磁学性质434
16.1.2MRI的基本原理436
16.1.3磁性纳米材料造影剂的信号增强原理437
16.2肿瘤磁共振纳米造影剂的发展及应用分类438
16.2.1肿瘤磁共振临床诊断的现状与发展趋势438
16.2.2肿瘤磁共振纳米造影剂的应用分类439
16.3肿瘤磁共振纳米造影剂的制备及应用440
16.3.1超顺磁性纳米造影剂440
16.3.2顺磁性纳米材料造影剂455
16.4总结与展望459
参考文献460
第17章纳米技术基础上的胃癌预警与早期诊断系统467
17.1目
前言
第1章基于纳米孔的高灵敏度生物传感分析技术1
1.1纳米孔技术简介1
1.2蛋白米孔和态纳米孔2
1.3.溶血毒素用于DNA测序4
1.4纳米孔用于小分子的检测6
1.5纳米孔用于生物大分子的检测8
1.6纳米孔用于DNA中单核苷酸多态性的检测11
1.7纳米孔用于实际样品中小分子RNA的检测12
参考文献15
第2章稀土荧光纳米探针在生物检测中的应用19
2.1稀土离子的性质和发光特性20
2.1.1线状的荧光光谱21
2.1.2能级丰富,荧光可调21
2.1.3大的Stokes位移23
2.1.4长的荧光寿命23
2.1.5上转换荧光24
2.2稀土荧光纳米探针的设计与修饰26
2.2.1镧系离子-有机配体复合物纳米探针26
2.2.2稀土掺杂的无机晶体荧光纳米探针26
2.2.3稀土荧光纳米探针的表面修饰27
2.3稀土纳米撕在生命分析中的应用30
2.3.1DNA检测30
2.3.2蛋白质检测31
2.3.3细胞计数34
2.3.4过氧化氢检测35
2.3.5谷胱甘肽检测35
2.3.6pH检测36
2.3.7葡萄糖检测37
2.3.8氰根离子检测37
2.3.9汞离子检测38
2.3.10铜离子检测39
2.4展望39
参考文献40
第3章用于生物检测的静电纺丝技术45
3.1静电纺丝的制备概述45
3.2静电纺丝的功能调控47
3.2.1直径48
3.2.2形貌49
3.2.3孔径51
3.2.4材料52
3.3静电纺丝在生化分析中的应用53
3.3.1气体的分析检测54
3.3.2金属离子的分析检测56
3.3.3生物功能分子的检测57
3.4结论与廳61
参考文献62
第4章基于上转换荧光共振能量转移的均相生物传感68
4.1引言68
4.2荧光共振能量转移69
4.2.1FRET的基本原理69
4.2.2能量转移效率?的测定70
4.2.3现有FRET方法存在的主要问题70
4.3上转换发光纳米粒子71
4.3.1UCNPs的概况71
4.3.2UCNPs的发光机理71
4.3.3UCNPs材料结构73
4.3.4UCNPs的发光调控75
4.3.5UCNPs的制备方法77
4.3.6UCNPs的表面功能化78
4.4UC-FRET生物传感80
4.4.1有机染料作能量受体81
4.4.2纳米金作能量受体89
4.4.3碳纳米材料作能量受体92
4.4.4其他纳米材料作能量受体97
4.5结论与展望99
参考文献100
第5章基于量子点的多色荧光检测技术及其应用108
5.1多色荧光检测技术的提出108
5.2多色荧光检测技术在DNA分析中的应用109
5.3多色荧光检测技术在蛋白质分析中的应用113
5.4双色荧光检测技术在病毒检测中的应用114
5.5多色荧光检测技术在细胞成像中的应用116
5.6微流控芯片多色量子点编码及应用120
5.7微流控芯片多色荧光可视化检测技术及应用123
5.8多色荧光检测技术发展前景128
参考文献128
第6章DNA结构介导的纳米生物传感器131
6.1线性单链DNA探针(一维DNA探针)131
6.1.1DNA分子在表面上的构象132
6.1.2界面上相邻DNA探针分子之间的距离效应134
6.2二维DNA探针(具有二级结构DNA的探针)137
6.3三维DNA探针141
6.4DNA折纸芯片143
6.5DNA生物传感器的应用147
6.5.1DNA生物传感器用于单核苷酸多态性的检测147
6.5.2DNA传感器用于microRNA生物标记物的检测150
6.5.3病原体的检测155
6.6结论与廳156
参考文献157
第7章用于动物重大疫病检测的量子点生物探针164
7.1量子点生物探针用于动物重大疫病病毒检测165
7.1.1引言165
7.1.2量子点探针的制备166
7.1.3应用量子点探针检测动物重大疫病病毒166
7.2量子点生物探针用于动物重大疫病病原菌检测170
7.2.1引言170
7.2.2应用量子点探针检测动物重大疫病病原菌171
7.3量子子生物撕鮮于物重大疫疫致病机麵究175
7.3.1引言175
7.3.2量子点标记病毒的方法176
7.3.3荧光显微镜177
7.3.4应用量子点生物探针研究动物重大疫病致病机理177
参考文献179
第8章利用原子力显微和识别成像技术研究细胞膜结构183
8.1概述183
8.1.1原子力显臟的结构和成像原理183
8.1.2原子力显臟的成像模式183
8.1.3原子力显臟探针的结构185
8.1.4原子力显臟探针的功能化186
8.1.5分子识别成像显臟的原理187
8.2AFM在液相条件下的高分辨成像188
8.2.1AFM成像基底的制备188
8.2.2AFM现场流动样品池技术189
8.2.3AFM对核酸?染色质结构的研究190
8.2.4AFM对蛋白质成像的研究191
8.2.5分子识别成像对蛋白质糖基化的研究193
8.3AFM对细胞膜结构的酿195
8.3.1细胞膜样品的制备197
8.3.2AFM研究红细胞膜结构197
8.3.3红细胞膜脂筏结构的研究204
8.3.4AFM对脂筏功能性的研究208
8.3.5AFM对线粒体膜结构的研究210
8.4小结213
参考文献213
第9章基于核酸适配体的肿瘤细胞和活体检测216
9.1引言216
9.2核酸适配体在细胞生命活动监测中的应用219
9.3核酸适配体用于肿瘤细胞分子分型221
9.4核酸适配体功能化的分子探针在活体分析检测中的应用223
9.5核酸适配体功能化的纳米材酬于肿瘤细胞和活体的分析检测…226
9.5.1核酸适配体功能化金纳米探针在肿瘤细胞检测中的应用226
9.5.2核酸适配体功能化磁性纳米探针在肿瘤细胞和活体分析检测中的
应用228
9.5.3核酸适配体功能化纳米荧光探针在肿瘤细胞和活体分析检测中的
应用230
9.5.4基于核酸适配体功能化纳米探针的其他检测方法234
9.6微流控芯片技术234
9.7总结236
参考文献236
第10章纳米颗粒的组装及在生物检测中的应用242
10.1纳米材料的自组装242
10.1.1自组装的概念242
10.1.2分子自且装合成新颖的纳米结构245
10.1.3以纳米颗粒为基本单元的自且装246
10.1.4电磁场诱导的纳米颗粒自装249
10.2纳米材料组装体的集体性质253
10.2.1纳米材料组装体中存在的相互作用253
10.2.2纳米材料组装体集体光学性质254
10.2.3组装对于纳米材料的集体磁学性质的影响259
10.3基于纳米颗粒组装后集体性质变化的生物检测方法261
10.3.1利用贵重金属纳米颗粒组装的生物检测261
10.3.2利用磁性纳米颗粒组装的生物检测265
10.4组装在构建生物检测器件中的作用266
10.5总结与展望268
参考文献269
第11章纳米探针的细胞电化学传感273
11.1电化学传感器273
11.2纳米探针274
11.2.1纳米材料简介275
11.2.2零维纳米探针275
11.2.3一维纳米探针281
11.2.4二维纳米探针285
11.3细胞固定及仿生界面的构建288
11.4肿瘤细胞检测289
11.4.1纳米电化学阻抗传感289
11.4.2靶向细胞检测290
11.4.3基于适配体的纳米细胞电化学传感291
11.4.4基于细胞表面麵的纳米细胞电化学传感293
11.5基于纳米探针的细胞凋亡电化学传感器294
11.5.1细胞凋亡简介294
11.5.2细胞凋亡的检测技术295
11.5.3细胞凋亡的电化学检测297
参考文献302
第12章细胞光散射成像分析311
12.1引言311
12.2细胞光散射成像的特点311
12.2.1光散射成像及显微光谱技术311
12.2.2光散射纳米探针313
12.2.3细胞光散射成像的影响因素314
12.3细胞实时光散射成像及传感分析314
12.3.1活细胞标记?成像和示踪315
12.3.2活细胞内生物分子传感及实时监测321
12.4纳米标记对细胞光散射成像分析的影响325
12.4.1光散射纳米探针的细胞生物相容性325
12.4.2光散射纳米探针对细胞?组织和胚胎的影响326
12.4.3光散射纳米探针应用于细胞成像分析面临的主要挑战327
12.5存在的问题及未来发展方向327
12.5.1存在的问题及其可能的解决方案327
12.5.2未来潜在的发展方向328
参考文献328
第13章拉曼光谱与增强拉曼光谱在细胞检测中的应用333
13.1拉曼光谱和增强拉曼光谱的基本原理334
13.1.1光的散射334
13.1.2拉曼光谱335
13.1.3共振拉曼光谱336
13.1.4表面增强拉曼光谱336
13.2SERS細胞体系細中基本方法学340
13.2.1直接检测340
13.2.2间接检测343
13.2.3数据分析346
13.3拉曼光谱和增强拉曼光谱的仪器技术发展347
13.3.1拉曼光谱及其联用技术347
13.3.2成像技术350
13.4SERS和拉曼光谱在细胞体系的应用352
13.4.1细胞分类与检测352
13.4.2细胞内微环境的检测355
13.4.3细胞生命过程监测357
13.4.4纳米材料在细胞内的监测362
13.5现存问题及展望367
参考文献370
第14章用于细胞实时探测的纳米电化学探针技术376
14.1概述376
14.2纳米电极优良的电化学特性376
14.3纳米电极的制备377
14.3.1纳米带电极377
14.3.2纳米盘电极378
14.3.3纳米锥电极380
14.3.4碳纳米管电极382
14.3.5纳米孔电极382
14.3.6纳米电极阵列384
14.4纳米电化学传感器实时探测细胞信号分子387
14.4.1纳米电化学探针高时空分辨监测信号分子释放387
14.4.2突触间隙内部探测388
14.4.3细胞内部实时探测389
14.4.4基于扫描电化学显臟探针的细胞实时监测389
14.5纳米电极阵列用于细胞实时探测393
14.5.1纳米电极阵列实时监测细胞胞吐与电生理研究394
14.5.2纳米线场效应晶体管阵列用于细胞电生理研究395
14.6总结与展望397
参考文献397
第15章面向肿瘤研究的量子点标记生物探针402
15.1引言402
15.2量子点的性质及其水溶性化修饰403
15.2.1量子点的荧光性质403
15.2.2量子点的合成与表面化学性质406
15.2.3量子点水溶性化修饰407
15.3生物探针构建中常用的靶向单元及标记策略412
15.3.1氨基酸?多肽和蛋白质的性质及其标记策略412
15.3.2核酸的性质及其标记策略414
15.4基于量子点标记的生物探针构建策略415
15.5基于量子点标记的生物探针在肿瘤研究中的应用418
15.5.1基于量子点标记的生物探针在肿瘤检测中的应用418
15.5.2基于量子点标记的生物探针在肿瘤转移相关研究中的应用423
15.5.3基于量子点标记的生物探针在肿瘤异质性研究中的应用425
15.5.4基于量子点标记的生物探针在肿瘤研究中的机遇和挑战427
参考文献428
第16章肿瘤磁共振诊断用磁性纳米材料的研究进展434
16.1磁性纳米造影剂的原理434
16.1.1磁性纳米材料的磁学性质434
16.1.2MRI的基本原理436
16.1.3磁性纳米材料造影剂的信号增强原理437
16.2肿瘤磁共振纳米造影剂的发展及应用分类438
16.2.1肿瘤磁共振临床诊断的现状与发展趋势438
16.2.2肿瘤磁共振纳米造影剂的应用分类439
16.3肿瘤磁共振纳米造影剂的制备及应用440
16.3.1超顺磁性纳米造影剂440
16.3.2顺磁性纳米材料造影剂455
16.4总结与展望459
参考文献460
第17章纳米技术基础上的胃癌预警与早期诊断系统467
17.1目
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第1章基于纳米孔的高灵敏度生物传感分析技术
1.1纳米孔技术简介
纳米孔传感技术是20世纪90年代中期开始发展起来的新兴分析手段。纳米孔，顾名思义，指的是孔径尺寸在纳米尺度的孔道，通常为1?100nm。生物体内的水通道、离子通道等均属于纳米孔。目前，基于纳米孔的传感器主要分为两类:，生物源的蛋白纳米孔家族[图1-1(a)?(c)]，包括金黄色葡萄球菌a-溶血毒素(a-hemolysin)[1]，耻垢分枝杆菌毒素蛋白A(MspA)[2]，以及噬菌体phi29连接器马达蛋白（phi29connector)^等;第二，以人工材料制备的固态纳米孔[图1-1(d)、(e)]，不论是无机的硅、氮化硅、石墨烯，还是有机的高分子薄膜均可制备纳米孔[4-7]。近两年，一些蛋白孔和固态孔相结合形成的新型复合孔结构也开始陆续被报道[图1-1(f)][8]。一般来说，纳米孔并不能独立存在，蛋白纳米孔需要磷脂双分子层支持，而固态纳米孔往往是以硅作为基底。
纳米孔传感器主要基于电流信号进行检测（图H在外加电场作用下，溶液中的电解质离子定向迁移并穿过纳米孔从而产生电流，该电流信号经膜片钳系统检测、放大和转换而被记录。当溶液中存在待检测物质时，该物质经扩散或电压驱动穿越纳米孔并与之相互作用，此时孔道内通过的离子数目由于待测物的占据发生变化，从而导致记录到的电流产生改变，此称为一个事件（event)。通过对大量穿越事件的统计分析，便可对该未知待测物进行定性和定量判断:其中电流的振幅和阻滞时间与物质种类和结构相关，而事件的频率则反映待测物在溶液中的浓度，二者通常情况下成正比[9]。
1.2蛋白纳米孔和固态纳米孔
目前，蛋白纳米孔中研究多的是a-溶血毒素。a-溶血毒素单体由金黄色葡萄球菌分泌，鮮体能与细胞膜结合并聚合形成七聚体跨膜通道，从而弓丨起细胞内外渗透压失衡，细胞去极化和营养物质流失，进而导致细胞死亡。a-溶血毒素外观呈蘑菇状[1]，由膜外冠状区域（cap)和跨膜桶状区域(a-barrel)组成。从内部结构看，冠状区域内包含一个空腔(vestibule)，而跨膜部分则是直径为2.6nm的通道，二者连接处为一个！@nm大小的狭窄区域(constrictionsite)，该区域经常作为识别位点直接或间接参与到检测中。自从1996年美国标准技术研究所的Ka-sianowicz，加州大学圣塔巴巴拉分校的06326?和哈佛大学的等首次报道单链DNA和RNA分子可穿越a-溶血毒素纳米通道[10]以来，各种基于蛋白纳米孔的DNA测序、单分子化学以及生化检测等研究便蓬勃发展起来。其中，牛津大学Bayley教授领导的团队在蛋白定点突变方面做出了非常卓越的工作,大大丰富了蛋白纳米孔检测的手段。2012年年初，Bayley所雛的牛津纳米孔技术公司(OxfordNanoporeTechnologies)成功开发出第三代纳米孔测序技术，在业界引起巨大轰动。
与蛋白纳米孔经由生物表达获得不同，固态纳米孔主要是通过聚焦的高能电子束或离子束直接击穿薄膜材料或电子束轰击与异相刻蚀相结合来制备。相较而言，离子束能量比电子束更大，在尺寸控制和材料选择上都更黯优势。到目前为止，已成功制备固态纳米孔的材料包括:氮化硅、二氧化硅、碳化硅、氧化铝、石墨烯、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚酰亚胺(PI)，而材料厚度通常在几纳米至几百纳米不等。固态纳米孔制备过程中需要用到离子检测器来反馈监测孔的制备进程，以便控制孔径大小。2001年，哈佛大学的Golovchenko等利用氩离子溅射法，首次成功得到氮化硅纳米孔，其尺寸为1.8nm[4]。2010年，该课题组和其他两个研究团队又分麵过电子束轰击得到仅有单原子厚度的石墨烯纳米孔[7,11，12]，为DNA测序提供了新的方向。
虽然蛋白纳米孔和固态纳米孔均是纳米级的孔道,在基本工作原理上也一致，但两者在制备重复性、孔径大小、稳定性、修饰方法等多个方面还是有着显著的不同。
⑴制备重复性。蛋白孔的结构在空间上是精确到原子的，因此保证了每次制备的纳米孔孔径完全一致，也确保了实验的可重复性。而固态纳米孔主要是通过电子束或离子束轰击结合化学刻蚀相来制备，尽管配备有反馈装置进行实时控制，但无法保证敏翻孔径和开形完全相同的孔。
⑵孔径大小。通常来说，通道蛋白的尺寸不会超过10nm。例如，MspA窄处为1nm，phi29马麵白则为3.6nm。固态孔贝则同，可根据实验需要自由调节实验錄，如离子束强度、轰击时间、刻蚀时间等，使得制备的孔径从几纳米到几
十纳米不等。二者孔径的差异决定了检测策略不同。
(3)稳定性。蛋白纳米孔的基底一般为磷脂双分子层，对机械振动比较敏感，无法进行转移。而纳米孔本身也对溶液pH、温度、化学环境等因素有一定要求。例如，a-溶血毒素虽然已经是一种耐受性很高的蛋白，但其在pH条件下和高于5mol/L的尿素溶液中也会变性分解。相较而言，固态纳米孔则稳定得多，适用于各种环境,酿可重复使用。
⑷修饰方法。蛋白纳米孔的优势在于已知单晶结构时经过基因突变可在任意位点修饰任意氨基酸残基，而固态纳米孔则更适合于利用各种化学反应进行表面修饰。
综上所述，固态纳米孔和蛋白纳米孔互有优缺点，各自有适用的对象和领域，同时相互补充。
1.3 a-溶血毒素用于DNA测序
纳米孔测序的历史可以追溯到1996年Branton与Deam?等用a-溶血毒素蛋白次观察到单个DNA分子在纳米孔中的穿越行为[10]，并提出了纳米孔测序的概念:单链DNA中的碱基单元依次通过纳米孔，然后根据监测到的电流信号变化而获得完整的序列信息。与传统测序方法相比,纳米孔测序具备许多优点:无须标记、无须扩增、高通量检测、可直接对长链DNA测序。虽然拥有诱人的前景，但纳米孔测序一直面临着两个关键的问题:DNA穿越纳米孔速度过快;空间分辨率无法达到识别单个碱基。
a-溶血毒素是纳米孔测序中研究早也是成果多的纳米孔。早期，研究者在减缓DNA穿越速度方面做了很多工作，包括降低温度[13，14]、增大溶液黏度[15]、加入有机盐[16]、增强DNA/纳米孔相互作用[17]等，但效果都比较有限。真正可能有实用性的方法由Gundlach课题组[18]和Akeson课题组[19]在2012年年初提出，他们利用一种phi29聚合酶来达到控制DNA缓慢穿越的目的。Phi29聚合酶首先同目标DNA模板与引物形成的双链结构结合，并在DNA的引导作用下停留在a-溶血毒素或耻垢分枝杆菌毒素蛋白A上方。然后聚合酶开始复制反应，随着引物链的不断延伸，目标DNA分子便在纳米孔逐步移动，复制反应的速度便决定了DNA穿越纳米孔的快慢[图1-3(a)?（d)]。通过此方法，单个碱基的通过速度被控制在25?400ms，较之前有了至少3~4个数量级的提升;且电流信号的变化可以达到分辨单个碱基的精度。
a-溶血毒素对碱基识别的空间分辨率不高，因为整个跨膜区域中的DNA片段(包含约15个核苷酸)都对电流信号有贡献。Bayley组通过将DNA固定在纳米孔中，发现了P跨膜区域中对DNA碱基敏感的三个位点[20]。经过基因突变优化，a-溶血毒素可区分A、T、G、C四种正常碱基和甲基胞嘧啶与羟甲基胞嘧啶两种修饰碱基，但仅限于特定位点的识别[21]。
同经典的整链DNA测序理念不同，Bayley组在2009年又提出了外切核酸酶辅助的单分子DNA测序概念，BP将外切核酸酶以合适的构象固定在a-溶血毒素孔口，切下的核苷酸按顺序逐个通过纳米孔被检测，从而达到测序目的[23](图1-4)。虽然文中报道称四种碱基的识别准确率可达99.8%，但该方法仍需要解决两个问题:①以何种方式固定外切核酸酶，以保证酶的活性;②保证切下的每个碱基都能依次进入纳米孔。
2012年2月，Bayley创立的牛津纳米孔技术公司宣布其成功开发出了商业化的纳米孔测序仪，这标志着纳米孔测序技术掀开了一个新的篇章[4]。1.4纳米孔用于小分子的检测
在蛋白纳米孔的研中，超过90%的成果都来自于a-溶血毒素蛋白。a-溶血毒素检测的对象非常多样化，既可为有机小分子，也可为无机离子。1999年，Bayley实验组首次报道a-溶血毒素纳米孔可用于溶液中有机金刚烷小分子的检测[25][图1-5(a)、(b)]。他们在体系中加入称为“适配器”的#环糊精，由于#环糊精与溶血毒素的孔径恰好匹配，其可在纳米孔内停留长达数十毫秒，从而为监测金刚烷分子与环糊精的相互作用提供足够的时间。但是，野生型a-溶血毒素蛋白有一个缺点，适配器#环糊精在孔道内的停留时间有限，通常为几百微秒至几十毫秒，无法对强相互作用的分子进行研。Bayley组经过蛋白定点突变研究发现，蛋白通道靠近狭窄区域的113位点的氨基酸残基对#环糊精的停留时间有着关键性影响，其中某些突变体能够稳定#环糊精达数十秒[26，27]。在此改进基础上，Kang及其同事实现了同分异构药物分子布洛芬和沙利度胺在纳米孔中的手性区分，同时研究了人血清白蛋白（HSA)
1.1纳米孔技术简介
纳米孔传感技术是20世纪90年代中期开始发展起来的新兴分析手段。纳米孔，顾名思义，指的是孔径尺寸在纳米尺度的孔道，通常为1?100nm。生物体内的水通道、离子通道等均属于纳米孔。目前，基于纳米孔的传感器主要分为两类:，生物源的蛋白纳米孔家族[图1-1(a)?(c)]，包括金黄色葡萄球菌a-溶血毒素(a-hemolysin)[1]，耻垢分枝杆菌毒素蛋白A(MspA)[2]，以及噬菌体phi29连接器马达蛋白（phi29connector)^等;第二，以人工材料制备的固态纳米孔[图1-1(d)、(e)]，不论是无机的硅、氮化硅、石墨烯，还是有机的高分子薄膜均可制备纳米孔[4-7]。近两年，一些蛋白孔和固态孔相结合形成的新型复合孔结构也开始陆续被报道[图1-1(f)][8]。一般来说，纳米孔并不能独立存在，蛋白纳米孔需要磷脂双分子层支持，而固态纳米孔往往是以硅作为基底。
纳米孔传感器主要基于电流信号进行检测（图H在外加电场作用下，溶液中的电解质离子定向迁移并穿过纳米孔从而产生电流，该电流信号经膜片钳系统检测、放大和转换而被记录。当溶液中存在待检测物质时，该物质经扩散或电压驱动穿越纳米孔并与之相互作用，此时孔道内通过的离子数目由于待测物的占据发生变化，从而导致记录到的电流产生改变，此称为一个事件（event)。通过对大量穿越事件的统计分析，便可对该未知待测物进行定性和定量判断:其中电流的振幅和阻滞时间与物质种类和结构相关，而事件的频率则反映待测物在溶液中的浓度，二者通常情况下成正比[9]。
1.2蛋白纳米孔和固态纳米孔
目前，蛋白纳米孔中研究多的是a-溶血毒素。a-溶血毒素单体由金黄色葡萄球菌分泌，鮮体能与细胞膜结合并聚合形成七聚体跨膜通道，从而弓丨起细胞内外渗透压失衡，细胞去极化和营养物质流失，进而导致细胞死亡。a-溶血毒素外观呈蘑菇状[1]，由膜外冠状区域（cap)和跨膜桶状区域(a-barrel)组成。从内部结构看，冠状区域内包含一个空腔(vestibule)，而跨膜部分则是直径为2.6nm的通道，二者连接处为一个！@nm大小的狭窄区域(constrictionsite)，该区域经常作为识别位点直接或间接参与到检测中。自从1996年美国标准技术研究所的Ka-sianowicz，加州大学圣塔巴巴拉分校的06326?和哈佛大学的等首次报道单链DNA和RNA分子可穿越a-溶血毒素纳米通道[10]以来，各种基于蛋白纳米孔的DNA测序、单分子化学以及生化检测等研究便蓬勃发展起来。其中，牛津大学Bayley教授领导的团队在蛋白定点突变方面做出了非常卓越的工作,大大丰富了蛋白纳米孔检测的手段。2012年年初，Bayley所雛的牛津纳米孔技术公司(OxfordNanoporeTechnologies)成功开发出第三代纳米孔测序技术，在业界引起巨大轰动。
与蛋白纳米孔经由生物表达获得不同，固态纳米孔主要是通过聚焦的高能电子束或离子束直接击穿薄膜材料或电子束轰击与异相刻蚀相结合来制备。相较而言，离子束能量比电子束更大，在尺寸控制和材料选择上都更黯优势。到目前为止，已成功制备固态纳米孔的材料包括:氮化硅、二氧化硅、碳化硅、氧化铝、石墨烯、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚酰亚胺(PI)，而材料厚度通常在几纳米至几百纳米不等。固态纳米孔制备过程中需要用到离子检测器来反馈监测孔的制备进程，以便控制孔径大小。2001年，哈佛大学的Golovchenko等利用氩离子溅射法，首次成功得到氮化硅纳米孔，其尺寸为1.8nm[4]。2010年，该课题组和其他两个研究团队又分麵过电子束轰击得到仅有单原子厚度的石墨烯纳米孔[7,11，12]，为DNA测序提供了新的方向。
虽然蛋白纳米孔和固态纳米孔均是纳米级的孔道,在基本工作原理上也一致，但两者在制备重复性、孔径大小、稳定性、修饰方法等多个方面还是有着显著的不同。
⑴制备重复性。蛋白孔的结构在空间上是精确到原子的，因此保证了每次制备的纳米孔孔径完全一致，也确保了实验的可重复性。而固态纳米孔主要是通过电子束或离子束轰击结合化学刻蚀相来制备，尽管配备有反馈装置进行实时控制，但无法保证敏翻孔径和开形完全相同的孔。
⑵孔径大小。通常来说，通道蛋白的尺寸不会超过10nm。例如，MspA窄处为1nm，phi29马麵白则为3.6nm。固态孔贝则同，可根据实验需要自由调节实验錄，如离子束强度、轰击时间、刻蚀时间等，使得制备的孔径从几纳米到几
十纳米不等。二者孔径的差异决定了检测策略不同。
(3)稳定性。蛋白纳米孔的基底一般为磷脂双分子层，对机械振动比较敏感，无法进行转移。而纳米孔本身也对溶液pH、温度、化学环境等因素有一定要求。例如，a-溶血毒素虽然已经是一种耐受性很高的蛋白，但其在pH条件下和高于5mol/L的尿素溶液中也会变性分解。相较而言，固态纳米孔则稳定得多，适用于各种环境,酿可重复使用。
⑷修饰方法。蛋白纳米孔的优势在于已知单晶结构时经过基因突变可在任意位点修饰任意氨基酸残基，而固态纳米孔则更适合于利用各种化学反应进行表面修饰。
综上所述，固态纳米孔和蛋白纳米孔互有优缺点，各自有适用的对象和领域，同时相互补充。
1.3 a-溶血毒素用于DNA测序
纳米孔测序的历史可以追溯到1996年Branton与Deam?等用a-溶血毒素蛋白次观察到单个DNA分子在纳米孔中的穿越行为[10]，并提出了纳米孔测序的概念:单链DNA中的碱基单元依次通过纳米孔，然后根据监测到的电流信号变化而获得完整的序列信息。与传统测序方法相比,纳米孔测序具备许多优点:无须标记、无须扩增、高通量检测、可直接对长链DNA测序。虽然拥有诱人的前景，但纳米孔测序一直面临着两个关键的问题:DNA穿越纳米孔速度过快;空间分辨率无法达到识别单个碱基。
a-溶血毒素是纳米孔测序中研究早也是成果多的纳米孔。早期，研究者在减缓DNA穿越速度方面做了很多工作，包括降低温度[13，14]、增大溶液黏度[15]、加入有机盐[16]、增强DNA/纳米孔相互作用[17]等，但效果都比较有限。真正可能有实用性的方法由Gundlach课题组[18]和Akeson课题组[19]在2012年年初提出，他们利用一种phi29聚合酶来达到控制DNA缓慢穿越的目的。Phi29聚合酶首先同目标DNA模板与引物形成的双链结构结合，并在DNA的引导作用下停留在a-溶血毒素或耻垢分枝杆菌毒素蛋白A上方。然后聚合酶开始复制反应，随着引物链的不断延伸，目标DNA分子便在纳米孔逐步移动，复制反应的速度便决定了DNA穿越纳米孔的快慢[图1-3(a)?（d)]。通过此方法，单个碱基的通过速度被控制在25?400ms，较之前有了至少3~4个数量级的提升;且电流信号的变化可以达到分辨单个碱基的精度。
a-溶血毒素对碱基识别的空间分辨率不高，因为整个跨膜区域中的DNA片段(包含约15个核苷酸)都对电流信号有贡献。Bayley组通过将DNA固定在纳米孔中，发现了P跨膜区域中对DNA碱基敏感的三个位点[20]。经过基因突变优化，a-溶血毒素可区分A、T、G、C四种正常碱基和甲基胞嘧啶与羟甲基胞嘧啶两种修饰碱基，但仅限于特定位点的识别[21]。
同经典的整链DNA测序理念不同，Bayley组在2009年又提出了外切核酸酶辅助的单分子DNA测序概念，BP将外切核酸酶以合适的构象固定在a-溶血毒素孔口，切下的核苷酸按顺序逐个通过纳米孔被检测，从而达到测序目的[23](图1-4)。虽然文中报道称四种碱基的识别准确率可达99.8%，但该方法仍需要解决两个问题:①以何种方式固定外切核酸酶，以保证酶的活性;②保证切下的每个碱基都能依次进入纳米孔。
2012年2月，Bayley创立的牛津纳米孔技术公司宣布其成功开发出了商业化的纳米孔测序仪，这标志着纳米孔测序技术掀开了一个新的篇章[4]。1.4纳米孔用于小分子的检测
在蛋白纳米孔的研中，超过90%的成果都来自于a-溶血毒素蛋白。a-溶血毒素检测的对象非常多样化，既可为有机小分子，也可为无机离子。1999年，Bayley实验组首次报道a-溶血毒素纳米孔可用于溶液中有机金刚烷小分子的检测[25][图1-5(a)、(b)]。他们在体系中加入称为“适配器”的#环糊精，由于#环糊精与溶血毒素的孔径恰好匹配，其可在纳米孔内停留长达数十毫秒，从而为监测金刚烷分子与环糊精的相互作用提供足够的时间。但是，野生型a-溶血毒素蛋白有一个缺点，适配器#环糊精在孔道内的停留时间有限，通常为几百微秒至几十毫秒，无法对强相互作用的分子进行研。Bayley组经过蛋白定点突变研究发现，蛋白通道靠近狭窄区域的113位点的氨基酸残基对#环糊精的停留时间有着关键性影响，其中某些突变体能够稳定#环糊精达数十秒[26，27]。在此改进基础上，Kang及其同事实现了同分异构药物分子布洛芬和沙利度胺在纳米孔中的手性区分，同时研究了人血清白蛋白（HSA)
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