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纳米材料在体外诊断技术中的应用

来源:体外诊断技术支持 2019-02-10 17:03



由于纳米材料具有独特的光、磁、电、热性能,可用于产生不同类型的检测信号、放大检测信号的强度及简化检测过程等,因此基于纳米材料的体外诊断技术具有广阔的应用前景。纳米材料可以应用于核酸、蛋白、小分子、细菌和病毒等的检测。

体外诊断(In Vitro diagnosis,IVD)技术,通常是指在人体之外,通过对机体包括血液、体液及组织等样本进行检测而获取相关的临床诊断信息,从而帮助判断疾病或机体功能的产品和服务。中国IVD发展起步较晚,但受益于医疗消费水平的提高、国家医疗体制改革的推动、产业政策的扶持,以及其一次性消费的特点,IVD行业近年来获得了高速增长。2016年,中国体外诊断市场规模已达约430亿元人民币,根据中国医药工业信息中心发布的《中国健康产业蓝皮书(2016)》,到2019年,中国IVD市场规模将有望达到723亿元,3年间年均复合增长率高达18.7%,发展迅猛。显然,IVD在现代社会中扮演着越来越重要的角色,目前临床上80%以上的疾病诊断都与之相关,因此在疾病预防、诊断、监测以及指导治疗的全过程中,发挥着极其重要的作用,是现代疾病与健康管理不可或缺的工具。随着临床医学诊疗技术的迅速发展,许多传统、常规的体外诊断技术已不能满足临床医学发展的需要,人们对临床诊断分析的灵敏度、准确度和特异性等要求越来越高。

纳米材料是一门迅速发展的新兴材料学科,由于其可以提供更多新的解决方案来改进目前的诊断技术,因此在体外诊断技术领域内的应用越来越广泛。纳米材料具有独特的尺寸依赖物理或化学性质,在纳米尺度(一般指1-100 nm)内,可以通过改变它们的尺寸、形状、化学组成及表面官能团等来调节其光、磁、电、热及生物学性能,特别是纳米材料由于具有远高于宏观材料的比表面积,可提供大量的空间在其表面修饰不同的分子,使得它们在生物分析和生物传感器等应用方面具有重要作用。利用这些表面修饰了不同分子的纳米材料可以有选择性地检测小分子、核酸、蛋白质和微生物等(图1)。显然,纳米材料与体外诊断技术融合后有望具有检测限更低、灵敏度更高、选择性更强等特性,而纳米材料与临床诊断分析技术相结合也将把临床体外诊断学科推向新的发展生长点。

1 典型功能纳米材料及其性能特点

目前,纳米材料由于其独特的光、磁、电、热性能,已经被广泛应用于体外诊断领域。这些性能可用来产生不同类型的检测信号、放大检测信号的强度以及简化检测过程等。而在众多纳米材料中,半导体量子点、金纳米颗粒及磁性纳米颗粒最为典型(图2),目前已应用于各种体外诊断技术。

1.1 半导体量子点

量子点是由II-VI、IV-VI或者III-V族元素组成的半导体纳米晶。这些纳米材料由于量子限域效应显示出与粒径相关的光电性能。当半导体材料的粒径接近或者小于其玻尔激子半径时,其能带成为具有势垒的离散能级,从而限制电子的运动,这种量子限域效应形成了量子点粒径可调性能的基础。当量子点的粒径增加时,其分立能级发生分裂导至禁带宽度变窄,相应的电子空穴对复合后发射出长波长的光子。因此,量子点的发光可以通过其粒径调节,发射出不同波长的光(图2(a))。

此外,量子点还具有宽而连续的吸收谱,该光学性能有利于其应用于体外检测,因为拥有不同发射光谱的量子点可以被单束激光所激发。但对于有机染料来说,具有不同发射谱的有机染料通常需要不同波长的激光器激发。此外,量子点还具有更窄的发射谱、更好的光稳定性、更高的发光强度等,这些优异的发光性能使得量子点非常适合在生物标记及体外检测方面的应用。

1.2 金纳米颗粒

金纳米颗粒由于其表面等离子共振(surface plasmon resonance,SPR)效应,显示出独特的光、热性能。当金纳米颗粒被光激发后,电场的振荡导至导带的电子(也叫等离激元)同步发生振荡。导带电子的位移在表面上产生了净电荷差或偶极子,这种偶极子与入射光的电场同相振荡,在特定波长下将引起强烈的光吸收。对于粒径小于50 nm的球形金纳米颗粒,蓝、绿光波段的光容易被吸收并传播出红色波段的光,因此粒径小的球形金纳米颗粒溶液通常显示出红色。振荡频率或者吸收波长取决于电子密度、电子的有效质量和电荷分布,这些因素都受到纳米颗粒的粒径、形状和表面化学状态的影响。随着金纳米颗粒粒径的增加,其吸收峰的位置向长波长方向红移,溶液的颜色则变成暗紫色。球形金纳米颗粒只呈现出单一吸收峰,而金纳米棒则呈现出两个吸收峰:一个在可见光波长范围,对应于横向等离激元;另一个在近红外波长范围,对应于纵向等离激元。颗粒间距也可影响金纳米颗粒的吸收谱。当其小于金纳米颗粒的直径时,溶液的颜色将由红色向紫色或者蓝色变化(图2(b)),取决于其聚集状态,而表面等离激元的耦合导至了吸收峰的红移。金纳米颗粒还可以在光激发的条件下产生热。当入射光的频率和表面等离子共振吸收峰匹配时,金纳米颗粒将通过非辐射衰减的形式产生热。在这个过程中,激发的热电子在弛豫时将能量转移到晶格上,并伴随着声子-声子相互作用,其中晶格能被耗散到环境中,导至纳米颗粒周围被局部加热。

1.3 磁性纳米颗粒

目前存在几种常见的磁性纳米颗粒,如氧化钴、氧化镍和氧化铁等。其中氧化铁纳米颗粒由于其良好的生物相容性、生物可降解性和超顺磁性等,在生物医学领域得到了广泛的研究。在宏观尺度下,磁性粒子的电子可以以