廖小飛，賴余芬，凌連生，鄒 李*

(1.廣東藥科大學(xué) 藥學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.中山大學(xué) 化學(xué)學(xué)院，廣東 廣州 510275)

金納米粒子(Gold nanoparticles，AuNPs)是近些年研究最為廣泛的納米材料之一，主要采用檸檬酸鈉還原法合成，通過控制成核制備不同粒徑的AuNPs[1-3]。由于AuNPs的表面等離子體共振性質(zhì)，不同粒徑的AuNPs會呈現(xiàn)出不同顏色，這為AuNPs的應(yīng)用奠定了科學(xué)基礎(chǔ)[4-5]。AuNPs不僅制備過程簡單，擁有獨(dú)特的光電效應(yīng)，還具有較大的比表面積和良好的生物相容性，使得修飾在其表面上的生物分子可以保持良好的活性。利用某些官能團(tuán)(如巰基、氨基等)與AuNPs表面具有的較強(qiáng)親和力，可將生物分子(如核酸、蛋白質(zhì)和抗體等)修飾到AuNPs表面上，以AuNPs探針作為分子識別元件，可以構(gòu)建多種形式的生物傳感方法[6-7]。

自1962年Clark首次提出生物傳感的概念以來，生物傳感技術(shù)得到了快速發(fā)展[8]。根據(jù)信號轉(zhuǎn)換的不同，可分為電化學(xué)生物傳感[9]、光學(xué)生物傳感[10]、熱學(xué)生物傳感[11]、場效應(yīng)管生物傳感[12]和壓電晶體生物傳感[13]等。其中，光學(xué)生物傳感是將分析物與分子識別元件之間反應(yīng)產(chǎn)生的信號，轉(zhuǎn)化成可供檢測的光學(xué)信號，從而實現(xiàn)對目標(biāo)物的分析檢測[14]。鑒于AuNPs具有獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)，因而被廣泛應(yīng)用于光學(xué)生物傳感方法的構(gòu)建?；贏uNPs的光學(xué)生物傳感方法具有特異性好、靈敏度高、響應(yīng)快速、操作簡便、可現(xiàn)場即時監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)，在藥物分析[15]、醫(yī)學(xué)檢驗[16]、環(huán)境監(jiān)測[17]及食品安全[18]等領(lǐng)域的快速檢測中具有廣闊的應(yīng)用前景。本文綜述了近年來基于AuNPs的比色生物傳感法、熒光生物傳感法、電化學(xué)發(fā)光生物傳感法和光散射生物傳感法的研究進(jìn)展(圖1)，旨在為基于AuNPs的光學(xué)生物傳感方法的進(jìn)一步發(fā)展應(yīng)用提供參考。

1 基于AuNPs的比色生物傳感法

AuNPs能在可見光區(qū)產(chǎn)生表面等離子體共振(SPR)吸收，且吸收峰的位置與顆粒之間的距離及粒徑大小有關(guān)[19]。當(dāng)顆粒間的距離小于AuNPs的粒徑時，顆粒會發(fā)生團(tuán)聚，其SPR吸收峰發(fā)生紅移，同時AuNPs溶液由紅色變?yōu)樗{(lán)色，由此可構(gòu)建出各種形式的比色生物傳感方法[20]。未經(jīng)修飾的裸AuNPs具有較高的表面自由能而導(dǎo)致其穩(wěn)定性較差，單鏈DNA(ssDNA)可通過靜電力吸附在AuNPs表面形成保護(hù)層，防止AuNPs在高離子強(qiáng)度下發(fā)生團(tuán)聚。而雙鏈DNA (dsDNA)具有剛性結(jié)構(gòu)，不易吸附在AuNPs表面，在高離子強(qiáng)度下AuNPs周圍的雙電層被破壞，使AuNPs發(fā)生團(tuán)聚[21]。根據(jù)AuNPs對單雙鏈DNA的吸附力不同，Kim等[22]將土霉素的適配體吸附在AuNPs表面上防止其團(tuán)聚，當(dāng)土霉素存在時，適配體會與其特異性地結(jié)合而從AuNPs表面解離，失去適配體保護(hù)的AuNPs發(fā)生聚集顯色變化。Liu等[23]設(shè)計了2個帶有ssDNA粘性末端的發(fā)夾輔助探針，可以有效地穩(wěn)定AuNPs，當(dāng)靶DNA存在時可觸發(fā)2個發(fā)夾輔助探針發(fā)生級聯(lián)雜交反應(yīng)，形成帶缺口的長鏈狀dsDNA。新形成的dsDNA聚合物沒有ssDNA粘性末端，當(dāng)鹽離子濃度增加時，AuNPs發(fā)生聚集，呈現(xiàn)紅色到藍(lán)色的顏色變化。以上策略通過簡單的靜電吸附作用，無需復(fù)雜和昂貴的AuNPs表面修飾即可實現(xiàn)檢測分析的應(yīng)用，但該法選擇性較差，易受外界干擾導(dǎo)致穩(wěn)定性不夠理想。

AuNPs可以通過Au-S鍵與帶巰基的ssDNA牢固結(jié)合，以此作為探針與目標(biāo)DNA發(fā)生特異性雜交反應(yīng)，拉近AuNPs之間的距離而發(fā)生團(tuán)聚。溶液顏色由紅色變?yōu)樗{(lán)色，相應(yīng)的SPR吸收峰也發(fā)生紅移[24]。Lee等[25]將2條ssDNA通過Au-S鍵修飾到AuNPs表面作為探針，利用T-Hg2+-T錯配來誘導(dǎo)2種AuNPs探針結(jié)合，使AuNPs發(fā)生團(tuán)聚，導(dǎo)致溶液顏色由紅色變?yōu)樗{(lán)色，從而實現(xiàn)對Hg2+的可視化檢測。為進(jìn)一步提高AuNPs比色傳感法的靈敏度，Ling課題組通過引入多種核酸放大技術(shù)，開發(fā)了一系列高靈敏的比色生物傳感方法：①基于聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)產(chǎn)物可誘導(dǎo)DNA功能化的AuNPs組裝成交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，建立了一種靈敏、通用的DNA檢測方法[26]；②以DNA修飾的AuNPs為探針，利用脫氧核酶催化切割和雜交鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(HCR)雙重放大技術(shù)，通過DNA雜交反應(yīng)將AuNPs-DNA探針組裝到HCR產(chǎn)物上，構(gòu)建了一種高靈敏度的比色傳感平臺，并用于血清中乙酰膽堿酯酶活性分析及其抑制劑的篩選[27]；③將目標(biāo)物驅(qū)動的催化發(fā)夾組裝(CHA)技術(shù)與AuNPs-DNA探針相結(jié)合，設(shè)計了一種可用于復(fù)雜體系的無酶比色傳感方法[28]。通常，生物標(biāo)志物微量存在于人體中，利用比色法直接檢測的效果往往不理想，通過引入各種核酸放大技術(shù)可將檢測信號放大，提高靈敏度，避免假陰性。此外，AuNPs除了常與核酸適配體結(jié)合之外，還能與蛋白質(zhì)通過靜電吸附或共價鍵結(jié)合用于免疫標(biāo)記，其中膠體金標(biāo)記層析法是通過將抗原或抗體固定到AuNPs表面，抗原和抗體的特異性結(jié)合會導(dǎo)致AuNPs大量聚集，通過肉眼即可觀察到明顯的顏色變化。此法目前已發(fā)展成為診斷試紙條，使用十分方便[29-30]。

基于AuNPs的比色生物傳感法是目前研究應(yīng)用最為廣泛的光學(xué)生物傳感方法之一，其具有可視化、操作方便、能夠現(xiàn)場快速實時檢測等優(yōu)勢，但易受體系中離子濃度、pH值、溫度、顏色背景等的影響，導(dǎo)致結(jié)果的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性較差。在未來的運(yùn)用中可以引入更多的信號放大或輸出方式，以提高其檢測能力和擴(kuò)大應(yīng)用范圍。

2 基于AuNPs的熒光生物傳感法

AuNPs具有較高的消光截面和表面電子密度的性質(zhì)，當(dāng)熒光基團(tuán)與其接近時，可通過偶極表面相互作用使熒光基團(tuán)的能量有效轉(zhuǎn)移到AuNPs表面使熒光猝滅[31]。熒光生物傳感法是根據(jù)識別探針與待測底物之間的熒光共振能量轉(zhuǎn)移(FRET)，并伴隨著熒光信號的強(qiáng)弱變化及譜帶遷移，可以實現(xiàn)對待測物質(zhì)的間接分析檢測[32]。Lv等[33]在赭曲霉毒素A(OTA)適配體的5'-端標(biāo)記羧基熒光素，以AuNPs作為熒光猝滅劑，當(dāng)體系中無OTA存在時適配體被吸附在AuNPs表面，其熒光信號被AuNPs猝滅。當(dāng)體系中存在OTA時適配體與OTA結(jié)合形成折疊結(jié)構(gòu)，可抵抗AuNPs的吸附從而恢復(fù)熒光信號。由于在適配體上標(biāo)記熒光物質(zhì)具有操作繁瑣和成本較高的缺點(diǎn)，Zhou等[34]直接將甲胎蛋白(AFP)適配體修飾的發(fā)光CdTe量子點(diǎn)(CdTe QDs)作為供體，抗AFP抗體修飾的AuNPs作為受體，設(shè)計了通過二者之間熒光共振能量轉(zhuǎn)移來檢測AFP的免標(biāo)記熒光生物分析方法。

另外，在生物傳感體系中采用雙重或多重信號輸出的方式可以進(jìn)一步提高檢測分析的準(zhǔn)確性[35]，Shi等[36]提出了一種基于碳量子點(diǎn)(CQDs)和AuNPs的比色和熒光雙檢測的納米傳感系統(tǒng)，可用于人血清中谷胱甘肽(GSH)的檢測。其中CQDs作為熒光指示劑，AuNPs作為比色指示劑和熒光猝滅劑，在AuNPs溶液中加入CQDs后會引起AuNPs聚集顯色，CQDs熒光猝滅。然而，當(dāng)GSH存在時可以保護(hù)納米粒子不聚集，擴(kuò)大粒子間距離，從而產(chǎn)生顏色變化和熒光信號恢復(fù)。該生物傳感器簡單靈敏，制備的納米粒子無需表面功能化，且對GSH有高度選擇性，檢出限(LOD)低至50 nmol/L。由于熒光具有很強(qiáng)的穿透性，在細(xì)胞或者微生物的成像檢測方面也有巨大的應(yīng)用優(yōu)勢[37]，Wu 等[38]設(shè)計了一種新型的靜電DNA納米組裝結(jié)構(gòu)，并將其用于活細(xì)胞內(nèi)mRNA的超靈敏成像分析。DNA納米組裝結(jié)構(gòu)由AuNPs、陽離子肽夾層以及熒光基團(tuán)標(biāo)記的發(fā)夾DNA探針利用靜電作用組裝，通過不依賴胞吞作用的獨(dú)特機(jī)制，DNA 納米組裝結(jié)構(gòu)能夠克服溶酶體的捕獲，使DNA探針的細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)效率較高。細(xì)胞內(nèi)的mRNA則可以引發(fā)由靜電作用組裝的DNA探針從納米組裝結(jié)構(gòu)中釋放，再通過雜交鏈?zhǔn)椒磻?yīng)提供足夠的信號放大，實現(xiàn)mRNA表達(dá)的超靈敏熒光檢測。

在基于AuNPs的熒光生物傳感體系中，AuNPs通常作為熒光猝滅劑，可以猝滅各種熒光素或納米材料的熒光信號。與比色檢測方法相比，其能夠排除有色樣品的背景干擾，具有更高的靈敏度和抗干擾能力，使其成為分析化學(xué)領(lǐng)域的一個研究熱點(diǎn)。

3 基于AuNPs的電化學(xué)發(fā)光生物傳感法

AuNPs不僅有獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)，還具有良好的電子傳遞能力和催化活性，將AuNPs修飾到工作電極表面上可以催化電化學(xué)反應(yīng)，以此提高電子的轉(zhuǎn)移速率和增強(qiáng)發(fā)光信號[39]。電化學(xué)發(fā)光(ECL)是指在電極表面通過電化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)電子轉(zhuǎn)移，促使物質(zhì)形成激發(fā)態(tài)，再由激發(fā)態(tài)向基態(tài)躍遷并發(fā)光[40]，故通常需加入化學(xué)發(fā)光劑，如有機(jī)小分子(魯米諾及其衍生物等)[41]、金屬有機(jī)配合物(三聯(lián)吡啶釕及其衍生物等)[42]和量子點(diǎn)[43]等參與反應(yīng)。與普通化學(xué)發(fā)光相比，基于AuNPs的ECL傳感方法可實現(xiàn)反應(yīng)可控、信號放大及重復(fù)使用，在核酸分子、蛋白質(zhì)、病原體、細(xì)胞等檢測中的應(yīng)用更為廣泛。Cao等[44]用AuNPs功能化的氧化石墨烯(GO@AuNPs)、葡萄糖氧化酶(GOx)與鏈霉親和素(SA)對魯米諾基ECL系統(tǒng)進(jìn)行研究，構(gòu)建了一種新型的競爭性ECL檢測方法。在電極上修飾AuNPs可獲得較強(qiáng)的初始ECL信號，再將GOx和SA-DNA加載到GO@AuNPs上制備信號探針，用于實現(xiàn)信號放大。在無目標(biāo)物的情況下，通過適配體與SA-DNA的雜交反應(yīng)，可將信號探針附著在電極上。在這種狀態(tài)下，負(fù)載在探針上的GOx可以催化葡萄糖產(chǎn)生H2O2，然后AuNPs催化H2O2生成活性氧來氧化魯米諾發(fā)光。在此基礎(chǔ)上，Cao等[45]進(jìn)一步設(shè)計了一種以硫化鎘@納米金-石墨相氮化碳(CdS@Au-g-C3N4)為光活性基質(zhì)，氧化石墨烯-硫化銅@抗體(GO-CuS@Ab)復(fù)合物作為信號放大標(biāo)記的三明治型ECL免疫傳感系統(tǒng)。其中，AuNPs作為等離子體光敏劑和電子繼電器，可以顯著促進(jìn)對光的吸收，加速g-C3N4和CdS之間的電荷轉(zhuǎn)移。Cao等構(gòu)建的兩種ECL檢測方法已成功用于前列腺特異性抗原(PSA)的檢測，檢出限均低于1 pg/mL。

ECL生物傳感法結(jié)合了電化學(xué)與化學(xué)發(fā)光的優(yōu)點(diǎn)，具有靈敏度高、穩(wěn)定性高、可控性好、檢測時間短、檢測范圍寬等特點(diǎn)。與熒光生物傳感法相比，ECL生物傳感法無需外界的光源激發(fā)，而是在電極表面實時原位產(chǎn)生光信號，因此消除了光散射和自發(fā)光的背景干擾，使得檢測結(jié)果更為準(zhǔn)確，已發(fā)展成為一個非常活躍的研究領(lǐng)域。

4 基于AuNPs的光散射生物傳感法

AuNPs除了具有SPR吸收，顆粒之間還存在長程的等離子體共振耦合作用，使AuNPs間隙的局域電磁場會顯著增強(qiáng)，從而導(dǎo)致拉曼信號明顯增強(qiáng)[48]。通常待測物質(zhì)自發(fā)的拉曼散射信號非常弱，但當(dāng)其固定在粗糙金屬表面時存在電荷轉(zhuǎn)移，可以顯著增加其拉曼散射強(qiáng)度[49]?；贏uNPs的表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS)傳感方法可通過捕捉AuNPs自身拉曼散射強(qiáng)度的變化來間接檢測目標(biāo)物。Lu等[50]將抗體修飾在AuNPs表面，設(shè)計了一種利用AuNPs表面增強(qiáng)共振拉曼散射的免疫層析條，可以快速、靈敏地檢測血清中的抗原物質(zhì)，此法比常規(guī)酶聯(lián)免疫吸附法的檢出限低10倍，具有潛在的臨床應(yīng)用價值。Fu等[51]通過在AuNPs表面修飾寡核苷酸和孔雀石綠異硫氰酸酯(MGITC)，作為SERS納米標(biāo)記并用于常規(guī)層析條上，由于MGITC具有很強(qiáng)的拉曼增強(qiáng)效應(yīng)而被用作拉曼報告分子。該法通過記錄測試線上的拉曼強(qiáng)度變化對目標(biāo)物進(jìn)行定量檢測，比直接使用裸AuNPs的拉曼信號更加靈敏，比傳統(tǒng)比色或熒光檢測方法的靈敏度至少高1 000倍。

SERS信號強(qiáng)烈依賴于分析物分子與金屬納米結(jié)構(gòu)間的相互作用和距離[52]，Hu等[53]將AuNPs嵌入金屬-有機(jī)骨架(MOF)中用于高靈敏度的SERS檢測，合成的金納米粒子/拉瓦錫骨架(AuNPs/MIL-101)納米復(fù)合材料結(jié)合了AuNPs的局域SPR特性和MOF的高吸附能力，當(dāng)分析物接近活性金屬表面時電磁場發(fā)生明顯改變，使其成為高度敏感的SERS襯底。另外，通過將AuNPs組裝到物質(zhì)界面上也可形成良好的表面增強(qiáng)拉曼基底，極大提高檢測靈敏度[54]。Zhu等[55]直接將AuNPs修飾到聚二甲基硅氧烷薄膜上，采用巰基苯甲酸和適配體修飾的金銀核殼納米粒子(Au@AgNFs)作為信號探針，在目標(biāo)物存在的情況下，通過形成底物-目標(biāo)物-分子探針的三明治結(jié)構(gòu)實現(xiàn)精準(zhǔn)檢測。在實際樣品檢測中，拉曼光信號往往會受到其他成分的干擾，Zhang等[56]則提出了一種以四氧二鐵酸鈷@埃洛石納米管/金納米粒子(CoFe2O4@HNT/AuNPs)為基底，采用磁固相萃取技術(shù)測定化妝品中禁用添加劑的靈敏SERS傳感方法。該法能有效簡化實際樣品的預(yù)處理，增強(qiáng)拉曼信號，減少樣品基質(zhì)的影響。

在光散射技術(shù)中，除了拉曼散射外，動態(tài)光散射(DLS)也被廣泛應(yīng)用。DLS是基于粒子的布朗運(yùn)動引起散射光強(qiáng)度波動，來確定其尺寸大小和粒徑分布。利用功能化的AuNPs探針特異性捕獲目標(biāo)物，誘導(dǎo)AuNPs發(fā)生聚集，從而可以通過DLS實現(xiàn)對目標(biāo)物快速靈敏的檢測[57-58]。Dai等[59]基于DLS技術(shù)設(shè)計了一種可單步檢測DNA的方法，即當(dāng)2個DNA功能化的AuNPs探針混合在含有互補(bǔ)靶DNA的樣品溶液中時，靶DNA與2個納米粒子探針雜交，導(dǎo)致納米粒子形成二聚體、三聚體和多聚體，然后通過DLS技術(shù)進(jìn)行檢測。該法簡單實用，但缺少必要的信號放大過程，為了進(jìn)一步提高DLS檢測的靈敏度，Ling課題組開發(fā)了一系列動態(tài)光散射結(jié)合核酸放大技術(shù)的生物傳感策略，首先構(gòu)建了聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)-動態(tài)光散射(PCR-DLS)的生物傳感方法，用于艾滋病病毒(HIV)的靈敏檢測，即當(dāng)目標(biāo)DNA存在時會使PCR過程中引物的發(fā)夾結(jié)構(gòu)打開，生成的PCR產(chǎn)物兩端帶ssDNA片段，進(jìn)一步與DNA修飾的AuNPs探針發(fā)生雜交，誘導(dǎo)AuNPs發(fā)生聚集使其粒徑增大，DLS測量的粒徑會隨著目標(biāo)DNA濃度的增加而增大[60]；還構(gòu)建了雜交鏈?zhǔn)椒磻?yīng)-動態(tài)光散射(HCR-DLS)和催化發(fā)夾自組裝-動態(tài)光散射(CHA-DLS)的無酶生物傳感方法，可用于腫瘤細(xì)胞中端粒酶的高靈敏檢測[61-62]。

與傳統(tǒng)比色法相比，基于AuNPs的光散射生物傳感法克服了檢出限高、有色底物的背景干擾、難以獲取微量聚集信號等缺陷，具有無損快速、靈敏度高、重現(xiàn)性好、測量范圍廣及易于操作等優(yōu)勢，在核酸、多肽、抗體、細(xì)胞和微生物等生化分析中具有很好的應(yīng)用價值，已在傳感領(lǐng)域中越來越受到關(guān)注?？傊?，基于AuNPs的光學(xué)生物傳感方法各具特色，在實際運(yùn)用中需要根據(jù)具體的檢測目標(biāo)物并結(jié)合AuNPs的相關(guān)性質(zhì)予以考慮。表1總結(jié)了此文所涉及的各類光學(xué)生物傳感方法的相關(guān)應(yīng)用情況。

表1 基于AuNPs的光學(xué)生物傳感方法在分析檢測中的應(yīng)用Table 1 Applications of AuNPs-based optical bio-sensing methods

5 總結(jié)與展望

生命科學(xué)和納米技術(shù)是當(dāng)今科學(xué)研究的兩大熱門領(lǐng)域，隨著生物技術(shù)和納米材料的不斷相互交叉滲透，生物傳感方法的研究應(yīng)用得到了極大的發(fā)展。AuNPs易于合成和表面修飾，具有獨(dú)特的光電效應(yīng)和良好的生物相容性，使其在光學(xué)生物傳感方面得到廣泛應(yīng)用。本文圍繞AuNPs獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)，分別介紹了基于AuNPs的比色生物傳感法、熒光生物傳感法、電化學(xué)發(fā)光生物傳感法和光散射生物傳感法的研究進(jìn)展?；贏uNPs的光學(xué)生物傳感方法具有操作簡單、靈敏度高、特異性強(qiáng)及檢測速度快等優(yōu)勢，已被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、藥物分析、環(huán)境監(jiān)測和食品安全等領(lǐng)域。

但是，基于AuNPs的光學(xué)生物傳感方法還有待進(jìn)一步提高，如檢測體系的背景干擾、檢測信號低，在復(fù)雜體系中的抗干擾能力不夠理想及局限于體外分析等。此外，其檢測結(jié)果的穩(wěn)定性也有待提升，在構(gòu)建通用型的生物傳感系統(tǒng)方面仍存在很多挑戰(zhàn)，還需將更多的納米材料、信號放大技術(shù)和輸出方式等引入到傳感系統(tǒng)中以拓寬其使用范圍。未來的生物傳感技術(shù)將會朝著智能化、微型化、集成化與多功能一體化的方向發(fā)展。另外，實驗室開發(fā)的新型生物傳感方法轉(zhuǎn)化為廉價高效、便攜實用的產(chǎn)品，并逐步實現(xiàn)商品化和產(chǎn)業(yè)化將成為一種必然趨勢。