Các cảm biến sinh học dựa trên hạt nano và các thử nghiệm sinh học

CHƯƠNG 14 Các c m bi n sinh h c d a h t nano th nghi m sinh h c Guodong Liu, Jun Wang, Yuehe Lin, and Joseph Wang Gi i thi u T i s d ng h t nano? Các c m bi n sinh quang h c d a h t nano th nghi m sinh h c Các thi t b c m bi n sinh h c n hóa d a h t nano th nghi m sinh h c 14.4.1 Các thi t b c m bi n sinh h c n hóa DNA d a h t nano ki m tra sinh h c 14.4.2 Nanoparticle-based electrochemical immunosensors and immunoassays 14.5 K t lu n hư ng phát tri n 14.6 L i c m ơn 14.7 Tài li u tham kh o 14.1 14.2 14.3 14.4 14.1 Gi i thi u S xu t hi n c a công ngh nano m nh ng chân tr i m i cho vi c áp d ng h t nano c m bi n sinh h c th nghi m sinh h c Đ c bi t, h t nano r t đư c khoa h c th gi i quan tâm tính ch t v t lý hóa h c đ c nh t c a chúng Các tính ch t cung c p nh ng tri n v ng t v i cho c m bi n hóa h c sinh h c [1–3] Các h t nano v i thành ph n kích thư c khác đư c s d ng r ng rãi nh ng năm g n d u hi u v s linh ho t nh y c m đ i v i vi c truy n t i n, quang tr ng lư ng nh s ki n ghi nh n phân t sinh h c khác [4–8] Vàng keo h t nano lư ng t bán d n đ c bi t thu hút đ i v i nhi u ng d ng phân tích sinh h c S c m nh ph m vi c a h t nano có th đư c tăng cư ng đáng k b ng cách ghép chúng v i ph n ng sinh tr c h c trình n (t c vi n t nano) S tăng cư ng tín hi u kh ng l d a vào vi c s d ng nhãn khuy ch đ i nano v i s hình thành c a b ph n phân t sinh h c nano t o thành s đ phát hi n siêu nh y quang h c n c c v i ph n ng ELECTROCHEMICAL SENSORS, BIOSENSORS AND THEIR BIOMEDICAL APPLICATIONS Copyright © 2008 by Academic Press, Inc All rights of reproduction in any form reserved 442 Electrochemical Sensors, Biosensors and Their Biomedical Applications chu i polymerase (PCR) Các giao th c có tính khu ch đ i c a b ph n phân t sinh h c nano v i chương trình truy n d n quang h c ho c n hóa có đ nh y cao Nhi u giao th c khu ch đ i, k t h p m t vài đơn v quy trình khu ch đ i d a v t li u nano, có th đư c thi t k đ đáp ng nhu c u nh y c m cao c a nghiên c u sinh h c hi n đ i G n có m t m i quan tâm đáng ý vi c s d ng phân t sinh h c đ xây d ng c u trúc nano [1, 9] vi c u ch nh ch c hóa b m t h t nano [2, 9] Các b c m bi n sinh h c d a h t nano cung c p ti m l n cho ch n đốn DNA protein có th có tác đ ng sâu s c đ i v i hóa h c phân tích Các ng d ng c a h t nano thi t b c m bi n sinh h c có th đư c phân lo i thành hai lo i theo ch c c a chúng:(1) đ u dò nano c c nh cho ng d ng phân tích sinh h c (2) h p ch t phân t nano làm nhãn cho c m bi n sinh h c th nghi m sinh h c Chúng d đ nh xem xét m t s bư c ti n nh ng c t m c quan tr ng phát tri n c m bi n sinh h c d a nhãn h t nano vai trò c a chúng c m bi n sinh h c th nghi m sinh h c đ i v i axit nucleic protein Hơn n a, t p trung vào m t s tính ch t b n quan tr ng c a m t s h t nano nh t đ nh làm cho chúng tr nên lý tư ng cho ng d ng sinh h c khác 14.2 T i s d ng h t nano? Các tính ch t đ c đáo c a v t li u nano cung c p tri n v ng t v i cho vi c thi t k ki m tra sinh h c có đ nh y cao ch n l c axit nucleic protein Vi c t o v t li u nano cho c m bi n sinh h c c th th nghi m sinh h c có nhi u l i ích t vi c có th thay đ i kích c , thành ph n hình d ng c a v t li u u ch nh đ c tính v t lý hóa h c c a chúng Do kích thư c nh c a v t li u nano, tính ch t c a chúng b nh hư ng m nh m b i s ràng bu c c a phân t sinh h c Các h t nano v i thành ph n kích thư c khác đư c s d ng r ng rãi nh ng năm g n d u hi u v s linh ho t nh y c m đ i v i vi c truy n t i n, quang tr ng lư ng nh s ki n ghi nh n phân t sinh h c khác [4–8] S tăng cư ng tín hi u kh ng l liên quan đ n vi c s d ng nhãn khu ch đ i b ng nano v i s hình thành b ph n phân t sinh h c phân t nano t o s cho s phát hi n quang h c n t v i đ nh y PCR Các giao th c có tính khu ch đ i c a b ph n phân t sinh h c nano v i chương trình truy n d n quang h c ho c n hóa có đ nh y cao Nhi u giao th c khu ch đ i, k t h p m t vài đơn v quy trình khu ch đ i d a v t li u nano, có th đư c thi t k đ đáp ng nhu c u nh y c m cao c a nghiên c u sinh h c hi n đ i Các tính ch t xúc tác đ c đáo c a h t nano kim lo i kích thích s phóng to c a chúng b ng m t kim lo i tương t ho c m t h t kim lo i khác cung c p tín hi u khu ch đ i vơ đáng k Nó có th tăng đáng k s lư ng th cho m i s ki n ràng bu c (và đ t đư c m t tín hi u khu ch đ i kh ng l ) b ng cách đóng gói nhi u phân t t o tín hi u m t máy ch h t nano Các c m bi n sinh h c th nghi m sinh h c d a v t li u nano có th đư c k t h p v i quy trình khu ch đ i b sung, ch ng h n s t p trung b m t ho c tái ch enzym Sau s th o lu n v nhãn nano v quang h c siêu nh y c m bi n sinh h c n t th nghi m sinh h c 443 Nanoparticle-based Biosensors and Bioassays 14.3 Các c m bi n sinh quang h c d a h t nano th nghi m sinh h c Vi c s d ng nhãn nano c m bi n sinh quang h c (và th nghi m sinh h c) đư c s d ng đ gi i quy t gi i h n v hóa h c quang ph đáng k c a ch t h u Công vi c ban đ u c a Mirkin đ ng nghi p ch ng minh r ng s k t h p c a h t nano vàng, gây b i s lai ghép DNA, d n đ n v t li u có đ c tính quang h c vư t tr i [10, 11] Ví d , thu c tính quang h c ph thu c vào kho ng cách c a h t nano vàng đư c t ng h p đư c khai thác đ phát tri n m t phương pháp đo màu đơn gi n nhanh chóng đ phát hi n chu i nucleotides [11] S k t h p DNA bi n đ i nano d n đ n s thay đ i nhanh chóng c a dung d ch t màu đ sang xanh K t qu DNA nano tích phân sinh h c hi n th ADN s c nét đư ng cong nóng ch y cho phép phân bi t thu n ti n oligonucleotides v i đơn ngun khơng hồn h o[10, 12] Taton c ng s mô t m t phát hi n m ng scanometric DNA nh y c m cao d a vi c s d ng m c tiêu oligonucleotide, đư c dán nhãn v i h t nano vàng, đ nh n di n đo n DNA m t chip (Hình 14.1) [13] M t h t nano đư c thúc đ y gi m b c (1) d n đ n m t tín hi u khu ch đ i m nh m (105 l n) tăng đ nh y c m S’ GGA TTA TTG TTA – AAT ATT GAT AAG GAT ЈCCT AXT AAC AAT TTA TAA CTA TTC CTA Au X = A (complementary), G,C,T (mismatched) (target DNA) Au Au Ag AgЈ hydroquinone (pH 3.8) Au Ag(s) quinone Hình 14.1 Phát hi n m ng ADN Scanometric b ng thăm dò h t nano phóng to S d ng m c tiêu oligonucleotide, dán nhãn v i h t nano vàng, đ nh n bi t phân đo n ADN m t chip (đư c chép t [13] v i s ch p nh n) 444 Electrochemical Sensors, Biosensors and Their Biomedical Applications g p 100 l n so v i ki m tra d a s phát hi n d a s phát hu nh quang tương t Vi c tăng cư ng ch t b c d a vào s gi m hóa ch t c a ion b c b ng hydroquinone t i kim lo i b c b m t h t nano vàng K t t a b c t o u ki n cho hình dung c a nhãn h t nano cho phép đ nh lư ng m c tiêu s giá tr màu xám đư c ch p nh Ngoài ra, vi c s d ng nhãn nano làm thay đ i quy trình nóng ch y đ cho phép phân bi t có hi u qu đ i v i mismatch đơn s Pavlov et al báo cáo v vi c s d ng h t nano vàng cho vi c khu ch đ i truy n t i quang h c c a aptamer liên k t protein [14] Các h t nano vàng có ch c hố v i aptamer thiolated (80 aptamers m i h t) Các aptamer liên k t v i ch t phân t thrombin protein gây h t nano vàng đ t ng h p ph h p th plasmon c a h đ gi m Tán x Raman (SERS) m t phương pháp chuy n đ i quang ph khác, có th r t thu n l i cho vi c s d ng h t nano vàng Cao c ng s s d ng h t nano ch c v i oligonucleotides thu c nhu m Ramanactive đ phát hi n DNA lai hóa[15] Các h t nano vàng t o u ki n cho s hình thành c a m t l p m b c ho t đ ng m t ch t xúc tác đ tán x Raman c a thu c nhu m Đ nh y cao đ n m c 20 fM DNA theo báo cáo Nhi u phát hi n đư c th c hi n b ng cách s d ng thu c nhu m Raman khác Cư ng đ lư ng t hu nh quang cao c a ch m lư ng t bán d n (QDs) có th d n đ n nghiên c u sinh h c nh y c m đáng k Hahn c ng s báo cáo v m t phát hi n r t nh y c m c a vi khu n gây b nh đơn E coli O157 s d ng CdSe / ZnS lõi v QDs liên h p v i streptavidin [16] H th ng th hi n hai m c tăng đ nh y (cùng v i đ n đ nh cao hơn) so v i thu c nhu m thông thư ng Mirkin đ ng nghi p phát tri n m t phương pháp mã v ch sinh h c d a nanô b ng vàng d a nano đ phát hi n protein xu ng đ n m c th p nh t c a t y [17] Giao th c m nh m d a vào qu c u t ch c hóa v i m t kháng th liên k t c th v i protein m c tiêu m t kháng th th c p liên h p v i h t nano vàng đư c mã hoá v i chu i DNA đ c đáo đ i v i protein m c tiêu (Hình 14.2, a b SH Step Target Protein Capture with MMP Probes Step Sandwich Captured Target Proteins with NP Probes Bevine Serum Albumin Nanoparticle (NP) Probe Target Protein (PSA) 13 nm NPs for Bio-Bar-Code PCR 30 nm NPs for PCR-less Method Step Chip-Based Detection of Bar-Code DNA for Protein Identification Bevine Serum Albumin Magnetic Microparticle (MMP) Probe Gold Nanoparticle SH Capture DNA Bar-Code DNA Monoclonal Anti-PSA Polyclonal Anti-PSA Amine-Functionalized Magnetic Particle Ag Au Step PCR-less Detection of Bar-Code DNA from 30 nm NP Probes Step Polymerase Chain Reaction Step MMP Probe Separation and Bar-Code DNA Bar-Code DNA Dehybridization Magnetic Field Hình 14.2 Phương pháp th nghi m mã v ch sinh h c (a) Thi t k chu n b thăm dò (b) Phát hi n PSA mã v ch DNA mã v ch nh n d ng (sao chép t [17] v i s cho phép) (xem b ng 14 cho phiên b n màu Nanoparticle-based Biosensors and Bioassays 445 xem B ng 14 cho phiên b n màu) S tách bi t t thăm dò m c tiêu ph c t p, ti p theo s kh huy t tương c a oligonucleotides b m t nano, cho phép đo đ c scanometric có đ nh y cao c a protein m c tiêu b ng cách xác đ nh trình t oligonucleotide đư c phóng t thăm dò h t nano Vi c tăng cư ng đáng k đ t đư c m i máy dò h t nano mang m t s lư ng l n oligonucleotides cho m i liên k t protein M t th nghi m mi n d ch đa phân t có th đư c th c hi n b ng cách s d ng trình t oligonucleotide khác đ mã hóa kháng nguyên m c tiêu khác Phép th mã v ch sinh h c d a h t nano đư c s d ng đ phát hi n kháng nguyên ti n li t n (PSA) m c đ attomolar th p (aM ϭ 10Ϫ 18 M), t c đ nh y g p l n đ l n so v i xét nghi m ELISA tương ng.Ngoài ra, m t cu c kh o sát đư c s d ng đ đo d u hi u b nh gây b nh Alzheimer ADDL t y s ng não li u lư ng picomolar [18] Khái ni m mã v ch sinh h c đư c m r ng đ khu ch đ i PCR phát hi n s lai t o DNA xu ng m c 500 zeptomolar (t c 30 b n 30 µL m u; zM ϭ 10Ϫ21 M) [19] M t đóng góp g n c a Niemeyer đ ng nghi p cho th y s phát hi n nh y c m quang h c c a protein s d ng h t nano vàng DNA [20] Trong trư ng h p này, th nghi m mi n d ch nhi u l p gây nhi u l p h t nano vàng liên k t DNA đ hình thành đư c phát hi n b i quang ph tia c c tím/nhìn th y đư c (UV/ Vis) M t đư ng h p d n khác cho vi c truy n t i quang h c s nh n th c quang h c liên quan đ n vi c đóng gói m t lư ng l n m t ch t đánh d u hu nh quang h t nano [21–26] Harma c ng s báo cáo m t nhãn nano có đ phát hu nh quang Europium đư c đưa vào m t xét nghi m kháng nguyên đ c hi u ti n li t n (PSA) c c k nh y c m PSA đư c phát hi n gi ng khoan vi lư ng đư c ph m t kháng th đ c hi u PSA s d ng kháng th biotinyl hoá đư c ph streptavidin, h t nano 107 nm có n ng đ cao ch a 30.000 ion Europium đư c thêm b i beta-diketones PSA đư c theo dõi tr c ti p b m t c a gi ng mà khơng có b t k bư c tăng cư ng b sung Đ nh y c a phép kh o nghi m 1.6 ng/L, tương ng v i 50 fmol LϪ1 fM ho c 250 zeptomoles (250 ϫ 10Ϫ21 molϪ1) c a PSA Ho t đ ng đ c hi u cao đ c hi u th p c a h t nano đư c streptavidin c i thi n đ nh y c a phương pháp PSA 100 l n so v i streptavidin thông thư ng đư c đánh d u b ng europium m t m u kh o sát Nhãn nanô đư c s d ng thành công đ phát hi n PSA mi n phí m u huy t [22] hormon kích thích n giáp (m t d u hi u c a ch c n giáp)[23] Trau đ ng nghi p báo cáo v m t th nghi m mi n d ch nh y c m cao đ i v i protein d a v t li u k t t vi tinh th đóng gói polyelectrolyte liên k t v i kháng th [24] M t th nghi m mi n d ch m nh m (ϳ2000 l n) đư c báo cáo liên quan đ n s gi i phóng phân t phát hu nh quang vào môi trư ng phát hi n sau s tương tác kháng th kháng nguyên M t phương pháp tương t đ t i đa hóa s lư ng phân t phát sáng cho m i s ki n liên k t đư c báo cáo b i Tan đ ng nghi p [25] V i m c đích này, thu c nhu m phát hu nh quang đư c đóng gói h t nano silic đư c ch c hóa b ng m t thăm dò oligonucleotide Phương pháp đưa m t gi i h n phát hi n r t th p 0,8 fM v i s phân bi t có hi u qu đ i v i DNA không kh p Ma tr n silic cung c p s b o v t t ch ng l i s t y tr ng c a tia c c tím Các h t nano silic k t t a sinh h c đư c s d ng đ phát hi n vi khu n siêu nh y, xu ng đ n m t t bào đơn E coli O157 [26] 446 Electrochemical Sensors, Biosensors and Their Biomedical Applications 14.4 Các thi t b c m bi n sinh h c n hóa d a h t nano th nghi m sinh h c Các thi t b n hóa g n nh n đư c s quan tâm đáng k vi c phát tri n b c m bi n mi n d ch sinh h c lai ghép DNA đ c hi u [27–29] Các c m bi n sinh h c n hóa nh ng thi t b liên quan m t thi t v i m t y u t nh n bi t sinh h c v i m t đ u dò n c c d a vào s chuy n đ i c a ph n ng kháng th kháng th Watson-Crick thành m t tín hi u n h u ích Các thi t b n hóa cung c p n đ liên k t - c p đ phân t - b ph n nh n d ng nh n di n tín hi u DNA (ho c kháng th -kháng nguyên) đư c ch ng nh n đ đáp ng nhu c u v kích c , chi phí, kh i lư ng th p lư ng c a phân tích ADN ch n đốn protein [27–29] Đ nh y cao c a thi t b c m bi n n hóa, v i trình thu nh , kh tương thích v i cơng ngh vi mơ hi n đ i, yêu c u v chi phí th p n năng, s đ c l p c a đ đ c m u làm cho ng d ng tr nên t v i cho vi c ki m tra gen phân tán M c dù vi c s d ng b c m bi n sinh h c n ho c chip n t giai đo n đ u tiên, máy phân tích DNA protein n c m tay d s d ng ti n g n th trư ng [30] d ki n s có tác đ ng đáng k lên DNA protein tương lai ch n đoán S truy n d n n hóa c a s ki n lai t o DNA thư ng đ t đư c k t n i v i ch th n / b chèn ho c th enzyme S truy n t i n hóa c a s ki n nh n di n kháng th - kháng nguyên đư c th c hi n liên quan đ n ion kim lo i nhãn enzyme Vi c s d ng b dò h t nano tương đ i m i phát hi n n cung c p h i nh t cho vi c chuy n n p tín hi u protein c m bi n DNA 14.4.1 Các thi t b c m bi n sinh h c n hóa DNA d a h t nano ki m tra sinh h c Các l trình n d a h t nano đ phát hi n gen thu hút đư c nhi u s quan tâm Các phương th c m i v y đư c d a vi c s d ng vàng keo [31, 32], đ u dò ch m lư ng t bán d n [33, 34], h t nano s t/h p kim vàng[35], h p kim nano đ ng/vàng[36], h t nano b c[37] Các v t li u h t nano cung c p cách giao ti p đ k t n i s nh n di n ADN v i vi c truy n d n tín hi u n hóa đ khu ch đ i ph n ng n H u h t chương trình thư ng d a vào m t chuy n đ i phóng n hóa có đ nh y cao/Đo đ c kim lo i Tách vôn th m t k thu t n phân m nh m đ theo dõi phép đo kim lo i[38] Đ nh y đáng kinh ng c c a bư c t p trung s n sàng “tích h p s n” m c tiêu kim lo i đư c tích lũy (l ng đ ng) vào n c c làm vi c Do gi i h n phát hi n đư c gi m xu ng t ba đ n b n m c đ , so v i k thu t xung lư ng t đư c s d ng trư c đ theo dõi s lai t o DNA S phát hi n n c c siêu nh y v y đư c th c hi n liên quan đ n nhi u lo i m i m ng nano c u trúc liên k t DNA m i 447 Nanoparticle-based Biosensors and Bioassays M t s nhóm, bao g m c chúng ta, phát tri n th nghi m lai hóa DNA n hóa nano m nh m [31–37] Các phương th c d a vào vi c thu th p đ u dò nano b ng mã v ch DNA t i m c tiêu đư c lai, sau s phân h y axit đo n c c phân c c c a thi t b dò kim lo i(Hình 14.3, xem b ng 15 cho phiên b n màu) Vi c c đ nh ho c m c tiêu c đ nh đư c th c hi n k t h p v i h t t khuy ch tán streptavidin[31], thông qua vi c s d ng l p b m t chitosan ho c polypyrrole [37], ho c thông qua vi c h p ph lên b c tư ng c a polystyrene microw-ells [32] N ng đ Picomolar Subnanomolar c a đích ADN đư c phát hi n S tăng cư ng đ nh y n a có th đ t đư c b ng cách phóng to ch t xúc tác vàng k t n i v i s gia tăng vàng c a h t nano [31] ho c b c [39–41] (Hình 14.3b, xem b ng 15 v i phiên b n màu) K t h p vi c m r ng th h t kim lo i, v i vi c tích h p s n có hi u qu phân tích tách n phân, m đư ng cho gi i h n phát hi n subpicomolar Vi c tăng cư ng b c đư ng d n n đư c áp d ng g n đ phát hi n h th ng “lab-on-chip” k t n i v i vi c nâng c p chip PCR [42] ϩ ϩ MB Biotinylated Capture Probe Biotinylated Target ϩ Ϫ CdS labeled probe Cd Amplification Silver Enhancement HBr Au(III) HNO3 HNO3 Ag(I) Zn Au(III) MD Meϩ Au(III) Disposable ScreenPrinted Electrode Me2ϩ Me2ϩ M Au(I) MD Mercury Coated Glassy Carbon Electrode Au(I) Disposable ScreenPrinted Electrode (a) Cd Pb (b) (c) (d) (e) Hình 14.3 Phát hi n n hóa d a h t nano DNA Các xét nghi m liên quan đ n vi c gi i thi u h t t tính tráng thăm dò, s b sung c a s ki n m c tiêu / s lai t p, lo i b v t li u khơng mong mu n, s k t dính c a kim lo i, s phát hi n n hóa c a h t nano vàng (a), b c (b), cadmium sulfide (d) Me: th kim lo i Các tín hi u đư c lo i b tr ng thái r n (c) giao th c dò tìm đa m c tiêu (e) Xem văn b n đ bi t chi ti t (xem B ng 15 cho phiên b n màu) 448 Electrochemical Sensors, Biosensors and Their Biomedical Applications Vi c lai h t t tính b c thăm dò v i m c tiêu đư c g n nhãn vàng cho k t qu c u trúc m ng ba chi u c a h t t tính “l n” (micromet), liên k t chéo qua DNA h t nano vàng Trong t p h p này, xo n kép DNA m t c u n i h t t v i h t nano kim lo i Theo quan sát th y khơng có s k t h p v y có m t oligonucleotide khơng b sung ho c không kh p S k t h p ADN tương t đư c khai thác b i Mirkin đ ng nghi p đ phát hi n s liên k t v i thay đ i màu ph thu c vào kho ng cách[11] G n đây, mô t m t phương th c n hóa đ phát hi n DNA lai d a vi c chu n b m đánh d u kim lo i d c theo xương s ng DNA (thay n m b t cu i c a xo n kép) [43] Phương th c m i d a s t o dây nano d n n khuôn m u DNA t o m t phương th c thu gi th kim lo i Vi c s d ng ADN làm khn m u hóa t o ho t đ ng nghiên c u nh m t o dây nano d n n xây d ng m ch ch c [44–46] Cách ti p c n v y đư c áp d ng đ tăng thêm b c [44], palladium [45], ho c nhóm platinum [46] m u DNA Tuy nhiên, vi c g n dây kim lo i lên m u DNA không đư c khai thác đ phát hi n DNA lai Các k ho ch phát hi n m i bao g m t p h p vector tĩnh n “c a ion b c d c theo m c tiêu DNA đư c c đ nh, ti p theo s hình thành h p ch t b c hydroquinone k t tinh d c theo b xương ADN, v i s gi i phóng n phân c a c m b c nano Mirkin đ ng nghi p phát tri n m t phát hi n n d a m ng b ng cách s d ng h t nano vàng có ch c oligonucleotide n c c nh liên k t v i nhau[47] Thăm dò oligonucloetide đư c c đ nh kho ng cách gi a hai n c c S ki n lai t o giúp đ nh v h t nano vàng kho ng cách n c c v i s l ng đ ng b c d n đ n xu t hi n tín hi u n có th đo đư c Các tín hi u d n n liên k t v i s thay đ i n tr khe n c c, mang l i đ nh y cao v i gi i h n phát hi n 0.5 pM Ki m soát n ng đ mu i cho phép ch n l c đ t bi n m cao (v i m t y u t 100 000: 1) khơng có đ b n nhi t Urban et al ch đư c, s thay đ i c a n tr m t kho ng cách vi n k t qu t trình lai DNA nanơ có g n nhãn[48] cho m t h th ng đ c m ng song song M t b phân tích vi lư ng khép kín cho phép đ c song song v y c a toàn b m ng cho th y s t v i c a ng d ng t i t ng m Vàng keo đư c s d ng đ c i thi n s b t đ ng c a DNA b m t n c c làm tăng kh lai ghép c a b m t[49] Vi c s d ng v t li u h tr nano v y đáng tin c y v t l p ráp đư ng kính kính nano 16 nm vào n c c vàng cystamine t o m t đ b m t c a oligonucleotides cao đ n ϫ 1014 phân t cmϪ2.Phát hi n th ferrocenecar-boxaldehyde (liên h p v i DNA m c tiêu) d n đ n m t gi i h n phát hi n 500 pM Do đ c tính đ c đáo (có th u ch nh n t ), tinh th nano bán d n (tinh qu ng lư ng t ) t o s quan tâm đáng k cho vi c phát hi n DNA quang h c [12] Ho t đ ng g n ch ng minh đư c ích l i c a h t nano lư ng t ch m đ tăng cư ng nphát hi n DNA [33, 34, 50] Willner et al báo cáo v vi c truy n d n quang n hóa c m bi n DNA k t n i v i m ng t bào nano CdS liên k t chéo DNA[50] S ràng bu c tĩnh n c a Ru(NH3)63ϩ ch p nh n electron đ n dsDNA Nanoparticle-based Biosensors and Bioassays 449 cung c p m t đư ng h m cho đơn v electron d n đ n tăng photocurrents Chúng báo cáo v vi c phát hi n DNA lai ghép k t h p v i ch t dò nano phép đo n phân c a cadmium[33] S gia tăng ch t xúc tác cadmium lên nano đư c s d ng đ phóng to nhãn h t nano khu ch đ i tín hi u lai tách DNA(Hình 14.3, xem b ng 15 v i phiên b n màu) Ngoài phép đo c a ion cadmium, ch ng minh phép đo tr ng thái r n sau k t h p chu i h t t /DNA lai/ CdS lên đ u dò n c c dày Phương th c v y k t h p tính khu ch đ i c a b ph n h t nano/polynucleotide vi c phát hi n cadmium b ng tia c c tím có đ nh y cao v i cách ly t tính hi u qu c a xo n kép Gi i h n phát hi n th p (100 fmol) đư c k t h p v i kh tái s n xu t t t (RSD ϭ 6%) M t phương th c g n đư c m r ng t i ch t keo vơ khác (ví d ZnS ho c PbS) có th đư c t ng h p tương t mixen đ o ngư c S m r ng v y m đư ng cho m t cơng ngh mã hố n hóa đ phát hi n đ ng th i nhi u đích DNA d a th nanocrystal v i nhi u ti m oxy hóa kh [34] Ch c hóa th tinh th nano b ng thăm dò oligonucleotide thiolated đưa m t ký hi u voltammetric v i tín hi u n khác cho m c tiêu DNA lai tương ng (Hình 14.3e, xem b ng 15 phiên b n màu) V trí kích thư c c a đ nh núi k t qu cung c p s nh n d ng mong mu n thông tin đ nh lư ng tương ng m t DNA m c tiêu nh t đ nh Kh phát hi n DNA đa m c tiêu đư c k t h p v i đ c tính khu ch đ i c a n phân tích voltametry (đ t o gi i h n phát hi n femtomolar) v i vi c lo i b hi u qu axit nucleic không đư c lai t o đ cung c p đ nh y đ ch n l c cao Do đó, có th đo đư c t i sáu m c tiêu m t lúc v i k t n i h t bán d nZnS, PbS, CdS, InAs, GaAs Ti n hành nhi u th nghi m song song (trong microwells c a gi ng vi phím ho c s d ng vi m ch đa kênh, v i m i microwell ho c kênh th c hi n nhi u phép đo) có th d n đ n m t ho t đ ng thông lư ng cao 14.4.2 C m ng mi n d ch n gi i d a h t nano xét nghi m mi n d ch Trên s m t ph n ng c th c a kháng th kháng nguyên, ch t c m ng mi n d ch cung c p m t công c nh y c m có ch n l c đ xác đ nh ch t mi n d ch đây, v t li u mi n d ch b c đ nh đ u dò; ch t phân tích đư c đo b ng m t loài nhãn liên h p v i m t ch t mi n d ch Đ nh lư ng thư ng đ t đư c b ng cách đo ho t đ ng c th c a nhãn, t c đ phóng x , ho t đ ng c a enzyme, s phát hu nh quang, s phát quang hóa h c ho c phát quang sinh h c Khơng có nhãn lý tư ng,m i lo i đ u có nh ng l i th b t l i riêng c a Các th nghi m mi n d ch c a Metall, t c nh ng nghiên c u không liên quan đ n nhãn mác d a kim lo i, đư c phát tri n vào nh ng năm 1970 [51] đ kh c ph c v n đ liên quan đ n nhãn ph phát x , phóng x ho c enzyme ph bi n Th nghi m mi n d ch Metall v i phát hi n n hóa có th mang l i nhi u ưu m; ví d đo lư ng có th đư c th c hi n th tích ch t l ng r t nh (vài microliters), cu i môi trư ng đ c, v i kh có đ nh y t t cho m t thi t b tương đ i r ti n (lĩnh v c đ ng) M c dù k thu t n hóa cho phép h p ch t h u [52, 53] 450 Electrochemical Sensors, Biosensors and Their Biomedical Applications ho c ion kim lo i [54, 55] đư c phát hi n n ng đ nano, đ nh y c a chúng v n không đ so v i nhãn chi t xu t t europium chelate có th xác đ nh đư c m c picomolar M t l trình h a h n cho vi c t i đa hóa s lư ng d u hi u kim lo i cho m i s ki n vi c s d ng m t nhãn nano kim lo i, bao g m hàng ngàn nguyên t kim lo i Vàng keo m t nh ng ng c viên t t nh t cho mi n d ch n gi i th nghi m mi n d ch ho t đ ng oxy hóa t v i c a Murielle et al l n đ u tiên báo cáo m t phép th mi n d ch n hóa nh y c m d a nhãn vàng keo, sau gi i phóng kim lo i vàng oxy hóa dung d ch axit, đư c xác đ nh gián ti p b i phép đo áp su t bóc tách anod (ASV) t i m t n c c in hình (SPE) [56] Phương pháp đư c đánh giá cho m t th nghi m mi n d ch không đ ng nh t không c nh tranh c a m t immunoglobulin G (IgG) n ng đ th p ϫ 10Ϫ12 M đư c xác đ nh, có kh c nh tranh v i phương pháp ELISA ho c v i th nghi m mi n d ch d a nhãn flutene europium chelate Chu et al báo cáo m t phép th mi n d ch n hóa tương t d a b c nhãn keo vàng, sau dung d ch kim lo i b c dung d ch axit, đư c xác đ nh gián ti p b i ASV t i m t n c c th y tinhcacbon [57] Phương pháp đư c đánh giá cho m t ki m tra mi n d ch không đ ng nh t không c nh tranh c a m t immunoglobulin G (IgG) m t mơ hình Dòng anod t y tr ng b c ph thu c n tính vào n ng đ IgG ph m vi t 1.66 ng mLϪ1 t i 27.25 ng mLϪ1 m t bi u đ logarit Gi i h n phát hi n th p ng mLϪ1 (i.e 6ϫ10Ϫ12 M) IgG ngư i đ t đư c M t phương pháp m i d a s tích t cyclic c a h t nano vàng đư c đ xu t đ phát hi n globulin mi n d ch c a ngư i G (IgG) b ng phép đo áp su t bóc tách anod [58] Ph n ng phân rã gi a dethiobiotin avidin v i s hi n di n c a biotin cung c p m t phương ti n có hi u qu cho s tích t cyclic c a h t nano vàng đư c s d ng cho đ nh lư ng phân tích cu i Dòng đ nh anodic tăng d n theo chu k tích lũy ngày tăng Năm chu k tích lũy đ đáp ng cho thí nghi m N n th p c a phương pháp đư c đ xu t m t l i th khác bi t cung c p kh xác đ nh nh t 0.1 ng/mLϪ1 human IgG M t phương pháp ki m tra mi n d ch n hóa d a Au, vi c m r ng h mi n d ch tăng lên b ng nano đư c s d ng đ phát hi n b sung C-3 đư c Zhou et al [59] Khi t h p đư c hình thành t nhãn nano Au goat-anti-human C-3 th nano Au rabbit-anti-goat IgG đư c c đ nh b m t n c c b ng phương pháp x p l p (kháng th - kháng nguyên- t ng h p), tín hi u n hóa c a n c c đư c m r ng r t nhi u TCác c m bi n mi n d ch báo cáo đ nh lư ng có th xác đ nh b sung C-3 ph m vi 0.12, tương t ϳ117.3 ng mLϪ1, gi i h n phát hi n 0.02 ng mLϪ1 Liao et al báo cáo m t th nghi m mi n d ch n gi i b ng cách tích phân t xúc c a Au3ϩ lên nhãn nano vàng [60] B ng cách k t h p s l ng đ ng t phân xúc v i phép đo đ nghiêng sóng vng, h t nano vàng phóng to đư c g n nhãn goat antirabbit globulin mi n d ch G (GaRIgG-Au) th nghi m the rabbit globulin mi n d ch G (RIgG), có th đư c xác đ nh v s lư ng T m t bi u đ hi u ch nh m t d i đ ng t p trung r ng (1–500 pg mLϪ1; R2 ϭ 0.9975), m t gi i h n phát hi n r t th p thu đư c Gi i h n 0.25 pg mLϪ1 (1.6 fM), 451 Nanoparticle-based Biosensors and Bioassays ba đơn đ t hàng c a đ l n th p so v i thu đư c b ng m t xét nghi m mi n d ch thông thư ng b ng cách s d ng m t nhãn nano vàng G n đây, m t ch t c m ng mi n d ch n t sinh h c d a h t d a h t đư c phát tri n nhóm c a chúng tơi b ng cách s d ng h t t nhãn h t nano vàng [61] Các h t t tính đư c u ch nh kháng th kháng IgG đư c g n v i b m t đ u dò cacbon tái t o b ng m t nam châm đư c đ nh v bên c m bi n Các nhãn nano vàng đư c ph lên b m t h t t tính b ng m t th nghi m mi n d ch x p l p (Fig 14.4) Phân tích t y n c c nh y c m cao cung c p m t phương pháp đơn gi n nhanh chóng (i) (ii) (iii) (iv) Stripping analysis Anti-IgG attached magnetic beads (a) IgG Gold nanoparticle modified secondary antibody (i) Carbon paste Magnets (ii) (b) Hình 14.4 (a) Phép th mi n d ch n phân d a h t: (i) đưa h t t tính đ nam châm/ bon dán lên thay đ i kháng th vào b m t đ u dò n hóa ; (ii) g n k t kháng nguyên IgG v i kháng th h t t tính; (iii) ch p kháng th th c p có nano vàng; (iv) s phát hi n tư c b s i n c a h t nano vàng (b) hình nh TEM c a h t t tính - s k t h p h t nano vàng k t qu t ph n ng mi n d ch k t h p c a 0.2 g mL phân tích IgG(i) m t nhìn m r ng v b ph n h t (ii) (sao chép t [61] v i s cho phép) 452 Electrochemical Sensors, Biosensors and Their Biomedical Applications đ đ nh lư ng thi t b dò h t vàng nano tránh bư c gi i phóng s d ng nhãn ch t n n c a enzyme Tín hi u t y c a h t nano vàng có liên quan đ n n ng đ IgG m c tiêu dung d ch m u Gi i h n phát hi n c a 0.02 µg mLϪ1 of IgG đư c thu đư c dư i u ki n thí nghi m t i ưu Các c m bi n mi n d ch xét nghi m mi n d ch d a m t nhãn nano vàng đư c s d ng đ phát hi n m t m c tiêu không th đư c s d ng cho xét nghi m nhi u m c tiêu M t quy trình ki m tra mi n d ch n hóa đ đo đ ng th i protein, d a vi c s d ng ch t dò nano vơ khác nhau, đư c báo cáo b i Liu c ng s [29] Kh phát hi n n c c đa protein đư c k t h p v i đ c tính khuy ch đ i n phân tách (đ t o gi i h n phát hi n fmol) v i s tách bi t b ng t có hi u qu (đ gi m thi u hi u ng h p ph không mong mu n) Th nghi m mi n d ch nhi u l p liên quan đ n m t s ki n ràng bu c kép, d a kháng th g n li n v i th nano h t t (Fig 14.5) Carbamate liên k t đư c s d ng đ liên h p k t tinh nano hydroxyl-ch m d t v i kháng th th c p M i s nh n th c sinh h c t o m t đ nh cao voltammetric khác bi t, v trí kích thư c c a ph n ánh b n s c m c tương ng c a kháng nguyên tương ng (b) Ab1 Ag3 ZnS-Ab1 Ag2 CdS-Ab2 Ag1 Ab2 (a) PbS-Ab3 (c) Ab3 Cd Current (␮A) Zn Acid Dissolution Pb (d) LE Mϩ ϩ M E (v) Hình 14.5 Phương th c phát hi n nhi u protein d a nh ng ch t dò nano nano vơ vơ khác (a) Gi i thi u h t t tính đư c u ch nh kháng th ; (b) g n k t kháng nguyên v i kháng th h t t tính; (c) ch p đư c kháng th th c p; (d) gi i phóng dây nano phát hi n phân gi i n hóa (sao chép t [29] v i s cho phép) 453 Nanoparticle-based Biosensors and Bioassays Khái ni m đư c ch ng minh cho m t th nghi m mi n d ch đ ng th i c a β2-microglobulin, IgG, albumin huy t bò, C-protein ph n ng k t n i v i ZnS, CdS, PbS, tinh th keo CuS tương ng (Fig 14.6) Nh ng nhãn tinh th nano có đ nh y tương t Vi c mã hóa n hóa v y có th đư c ghép đơi thu nh l i thành mi ng microtiter đa lư ng đ cho phép phát hi n đ ng th i nhi u protein ho c m u d ki n s m nh ng h i m i cho ch n đoán protein an ninh sinh h c Đ tăng cư ng đ nh y c a c m bi n mi n d ch n hóa d a nhãn nano xét nghi m mi n d ch, g n phát tri n m t ch t c m quang mi n d ch hóa h c m i l d a nhãn nano silic nano h p ch t poly ph n ng xúc tác t o trung gian[62] Hình 14.7 (xem B ng 16 cho phiên b n màu) minh ho sơ b nguyên lý c a vi c mi n nhi m hóa n hóa d a NPP silic đư c ph b ng poly [G] Các kháng th sinh h c biotinyl hố l n đ u tiên b c đ nh m t n c c c i ti n avidin kháng th IgG c a chu t sau đư c cho thêm vào kháng th , ti p theo tương tác v i kháng th IgG c a chu t đư c bao ph silica NPs v i poly[G], đưa vào m t lư ng l n guanine dư b m t n c c Guanin silic NPs xúc tác q trình oxy hóa c a Ru(bpy)32ϩ Biên đ dòng oxy hóa ph thu c vào lư ng guanine liên quan đ n n ng đ dung d ch m u S khu ch đ i c a tín hi u xúc tác đư c g n k t v i s g n k t c a m t s lư ng l n d u hi u Guanine cho m i ph c h p (f) (e) Current (␮A) (d) (c) 3µA(B-F) 6µA(A) (b) (a) ؊1.2 ؊0.3 Potential (V) Hình 14.6 Đi n hình c a tách b voltammograms c a (a) kháng th dán nhãn nano tinh th (b–f) h t t –Ab–Ag–Ab-tinh th nano (b) Ph n ng đ i v i m t dung d ch có ch a hòa tan liên k t ZnS anti2-microglobulin-microglobulin, PbS–anti-BSA, and CdS–anti-IgG (sao chép t [29] v i s cho phép) 454 Electrochemical Sensors, Biosensors and Their Biomedical Applications C A R B O N R u ( b p y) ϩ Ru(bpy) 32ϩ Hình 14.7 Sơ đ minh ho c a m t th nghi m mi n d ch n hóa d a Poly [G] ch c silica NPs n c c cacbon Kim cương tư ng trưng cho IgG c a chu t; “Y” hình d ng cho kháng th chu t; dây màu đ cho poly[G] (sao chép t [62] v i s cho phép) (xem b ng 16 v i phiên b n màu) kháng th -kháng nguyên-kháng th đư c hình thành B c m bi n mi n d ch r t nh y c m, gi i h n phát hi n đư c tìm th y xu ng 0.02 ng mLϪ1 M t tính h p d n c a cách ti p c n làm cho kh phát tri n m t thi t b giá r , nh y c m xách tay đ ch n đoán đa c a protein khác Phương pháp đơn gi n, có ch n l c có kh l p l i đ phân tích protein có th đư c m r ng đ nghiên c u s tương tác protein-protein, peptide-protein, DNA-protein 14.5 K t lu n hư ng phát tri n Công ngh nano cung c p h i đ c đáo cho vi c thi t k c m bi n sinh h c siêu phân t th nghi m sinh h c Các nghiên c u đư c mô t cho th y ti m r ng l n c a h t nano đư c ghép sinh h c cho s khu ch đ i truy n t i c a sinh phân t đư c công nh n V i ng d ng quang h c n hóa, nhãn nguyên t nano v y cung c p s cho vi c ki m tra siêu phân t protein axit nucleic S nh y c m c a giao th c c m ng d a h t nano m i m kh phát hi n d u hi u b nh, tác nhân sinh lý ho c tác nhân lây nhi m mà không th đo b ng phương pháp thơng thư ng Các chương trình nghiên c u sinh h c có đ nh y cao v y có th phát hi n s m b nh ho c c nh báo v m t cu c t n công Vi c s d ng th h t nano đ phát hi n protein v n giai đo n tr ng c a nó, h c kinh nghi m phát hi n DNA siêu âm nên cung c p m xu t phát h u ích Vi c th c hi n thành công chi n lư c truy n t i tín hi u khu ch đ i m i yêu c u ph i quan tâm thích h p đ n v n đ h p th không c n thi t mà thư ng ki m soát kh phát hi n s li u phân tích sinh h c Các bư c r a làm láng b m t thích h p nên đư c s d ng đ tránh làm căng tín hi u n n (liên quan đ n s h p th không mong mu n c a khu ch đ i h t nano) Nanoparticle-based Biosensors and Bioassays 455 M t lo t v t li u nano m i đư c gi i thi u s ti p t c m r ng ph m vi c a c m bi n sinh h c d a v t li u nano 14.6 L i c m ơn Nghiên c u đư c th c hi n t i Phòng Thí nghi m Qu c gia B c Tây B c (PNNL) đư c h tr b i Chương trình Nghiên c u Phát tri n Thí nghi m theo Phòng thí nghi m, B Khoa h c Qu n lý Mơi trư ng Hoa K (DOE-EMSP), Chương trình Nghiên c u Phát tri n Môi trư ng Chi n lư c (SERDP) (D án ID 1297) NIH / 1R01 ES010976-01A2 Các nghiên c u c a tác gi đư c mô t chương đư c th c hi n m t ph n t i Phòng thí nghi m Khoa h c Phân t Mơi trư ng, m t s s d ng khoa h c qu c gia C c Nghiên c u Sinh h c Môi trư ng c a DOE tài tr đ t t i PNNL PNNL đư c Battelle v n hành cho DOE theo H p đ ng DE-AC05-76RL01830 14.7 Tài li u tham kh o F Carusu, Nanoengineering of particle surfaces Adv Mater 13, 11–22 (2001) J.J Storhoff and C.A Mirkin, Programmed materials synthesis with DNA Chem Rev 99, 1849–1862 (1999) I Willner and B Willner, Functional nanoparticle architectures for sensoric, optoelectronic, and bioelectronic applications Pure Appl Chem 74, 1773–1783 (2002) C.M Niemeyer, Nanopartikel, Proteine und Nucleinsäuren: Die Biotechnologie begegnet den Materialwissenschaften Angew Chem 113, 4254–4287 (2001) P Alivisatos, The use of nanocrystals in biological detection Nat Biotechnol 22, 47–52 (2004) E Katz, I Willner, and J Wang, Electroanalytical and bioelectroanalytical systems based on metal and semiconductor nanoparticles Electroanal 16, 19–44 (2004) I Willner and E Katz, Integrated nanoparticle-biomolecule hybrid systems: synthesis, properties, and applications Angew Chem Int Ed 43, 6042–6108 (2004) N.L Rosi and C.A Mirkin, Nanostructures in biodiagnostics Chem Rev 105, 1547–1562 (2005) C.M Niemeyer, Nanoparticles, proteins, and nucleic acids: biotechnology meets materials science Angew Chem Int Ed 40, 4129–4158 (2001) 10 R.L Letsinger, R.C Mucic, and J.J Storhoff, A DNA-based method for rationally assembling nanoparticles into macroscopic materials.Nature 382, 607–609 (1996) 11 J.J Storhoff, R Elghanian, R.C Mucic, C.A Mirkin, and R.L Letsinger, One-pot colorimetric differentiation of polynucleotides with single base imperfections using gold nanoparticle probes J Am Chem Soc 120, 1959–1964 (1998) 12 R Elghanian, J.J Storhoff, R.C Mucic, R.L Letsinger, and C.A Mirkin, Selective colorimetric detection of polynucleotides based on the distance-dependent optical properties of gold nanoparticles Science 277, 1078–1081 (1997) 13 TA Taton, C.A Mirkin, and R.L Letsinger, Scanometric DNA array detection with nanoparticle probes Science 289, 1757–1760 (2000) 14 V Pavlov, B Shyahovsky, and I Willner, Aptamer-functionalized Au nanoparticles for the amplified optical detection of thrombin J Am Chem Soc 126, 11 768–11 769 (2004) 15 Y.C Cao, R Jin, and C.A Mirkin, Nanoparticles with raman spectroscopic fingerprints for DNA and RNA detection Science 297, 1536–1540 (2002) 456 Electrochemical Sensors, Biosensors and Their Biomedical Applications 16 M.A Hahn, J.S Tabb, and T.D Krauss, Detection of single bacterial pathogens with semiconductor quantum dots Anal Chem 77, 4861–4869 (2005) 17 J.M Nam, C.S Thaxton, and C.A Mirkin, Nanoparticle-based bio-bar codes for the ultrasensitive detection of proteins Science 301, 1884–1886 (2003) 18 D.G Georganopoulou, L Chang, J.M Nam, C.S Thaxton, E.J Mufson, W.L Klein, and C.A Mirkin, Nanoparticle-based detection in cerebral spinal fluid of a soluble pathogenic biomarker for Alzheimer’s disease Proc Natl Acad Sci U.S.A 102, 2273–2276 (2005) 19 J.M Nam, S.I Stoeva, and C.A Mirkin, Bio-bar-code-based DNA detection with PCR-like sensitivity J Am Chem Soc 126, 5932–5933 (2004) 20 P Hazarika, B Ceyhan, and C.M Niemeyer, Sensitive detection of proteins using difunctional DNAgold nanoparticles Small 1, 844–848 (2005) 21 H Harma, T Soukka, S.Lonnberg, J Paukkunen, P Tarkkinen, and T Lovgren, Zeptomole detection sensitivity of prostate-specific antigen in a rapid microtitre plate assay using time-resolved fluorescence Luminescence 15, 351–355 (2000) 22 T Soukka, K Antonen, H Harma, A.M Pelkkikangas, P Huhtinen, and T Lovgren, Highly sensitive immunoassay of free prostate-specific antigen in serum using europium(III) nanoparticle label technology Clin Chim Acta 328, 45–58 (2003) 23 A.M Pelkkikangas, S Jaakohuhta, T Lovgren, and H Harma, Simple, rapid, and sensitive thyroidstimulating hormone immunoassay using europium(III) nanoparticle label Anal Chim Acta 517, 169–176 (2004) 24 D Trau, W Yang, M Seydack, F Caruso, N.T Yu, and R Renneberg, Nanoencapsulated microcrystalline particles for superamplified biochemical assays Anal Chem 74, 5480–5486 (2002) 25 X Zhao, R Tapec-Dytioco, and W Tan, Ultrasensitive DNA detection using highly fluorescent bioconjugated nanoparticles J Am Chem Soc 125, 11 474–11 475 (2003) 26 X Zhao, L.R Hilliard, S.J Mechery, Y Wang, R.P Bagwe, S Jin, and W Tan, From the cover: a rapid bioassay for single bacterial cell quantitation using bioconjugated nanoparticles Proc Natl Acad Sci U.S.A 101, 15 027–15 032 (2004) 27 E Palecek and M Fojta, DNA hybridization and damage, Anal Chem 73, 75A–83A (2001) 28 J Wang, Electrochemical nucleic acid biosensors Anal Chim Acta 469, 63–71 (2002) 29 G Liu, J Wang, J Kim, M.R Jan, and G.E Collins, Electrochemical coding for multiplexed immunoassays of proteins Anal Chem 76, 7126–7130 (2004) 30 V Chan, Y Chong, L Cheung, J Vielmetter, and D.H Farkas, Bioelectronic detection of point mutations using discrimination of the H63D polymorphism of the Hfe gene as a model Mol Diagn 5, 321–328 (2000) 31 J Wang, D Xu, A.N Kawde, and R Polsky, Metal nanoparticle-based electrochemical stripping potentiometric detection of DNA hybridization Anal Chem 73, 5576–5581 (2001) 32 L Authier, C Grossiord, P Brossier, and B Limoges, Gold nanoparticle-based quantitative electrochemical detection of amplified human cytomegalovirus DNA using disposable microband electrodes Anal Chem 73, 4450–4456 (2001) 33 J Wang, G Liu, and R Polsky, Electrochemical stripping detection of DNA hybridization based on cadmium sulfide nanoparticle tags Electrochem Commun 4, 722–726 (2002) 34 J Wang, G Liu, and A Merkoỗi, Electrochemical coding technology for simultaneous detection of multiple DNA targets J Am Chem Soc 125, 3214–3215 (2003) 35 J Wang, G Liu, and A Merkoci, Particle-based detection of DNA hybridization using electrochemical stripping measurements of an iron tracer Anal Chim Acta 482, 149–155 (2003) 36 H Cai, N.N Zhu, Y Jiang, P.G He, and Y.Z Fang, Cu–Au alloy nanoparticle as oligonucleotide labels for electrochemical stripping detection of DNA hybridization Biosens Bioelectron 18, 1311–1319 (2003) 37 H Cai, Y Xu, N Zhu, P He, and Y Fang, An electrochemical DNA hybridization detection assay based on a silver nanoparticle label Analyst 127, 803–808 (2002) 38 J Wang, Stripping Analysis, VCH Publishers, New York (1985) 39 J Wang, R Polsky, and X Danke, Silver-enhanced colloidal gold electrochemical stripping detection of DNA hybridization Langmuir 17, 5739–5741 (2001) Nanoparticle-based Biosensors and Bioassays 457 40 H Cai, Y Wang, P He, and Y Fang, Electrochemical detection of DNA hybridization based on silverenhanced gold nanoparticle label Anal Chim Acta 469, 165–172 (2002) 41 T.M.H Lee, L.L Li, and I.M Hsing, Enhanced electrochemical detection of DNA hybridization based on electrode-surface modification Langmuir 19, 4338–4343 (2003) 42 T.M.H Lee, M Carles, and I.M Hsing, Microfabricated PCR-electrochemical device for simultaneous DNA amplification and detection Lab Chip 3, 100–105 (2003) 43 J Wang, O Rincon, R Polsky, and E Dominguez, Electrochemical detection of DNA hybridization based on DNA-templated assembly of silver cluster Electrochem Commun 5, 83–86 (2003) 44 E Braun, Y Eichen, U Sivan, and G Ben-Yoseph, DNA-templated assembly and electrode attachment of a conducting silver wire Nature 391, 775–778 (1998) 45 J Richter, R Seidel, R Kirsch, M Mertig, W Pompe, J Plashke, and H Schackert, Nanoscale palladium metallization of DNA Adv Mater 12, 507–510 (2000) 46 M Mertig, L.C Ciacchi, R Siedel, W Pompe, and A de Vita, DNA as a selective metallization template Nano Lett 2, 841–844 (2002) 47 S Park, T.A Taton, and C.A Mirkin, Array-based electrical detection of DNA with nanoparticle probes Science 295, 1503–1506 (2002) 48 M Urban, R Moller, and W Fritzsche, A paralleled readout system for an electrical DNA-hybridization assay based on a microstructured electrode array Rev Sci Instrum 74, 1077–1081 (2003) 49 H Cai, C Xu, P He, and Y Fang, Colloid Au-enhanced DNA immobilization for the electrochemical detection of sequence-specific DNA J Electroanal Chem 510, 78–85(2001) 50 I Willner, P Patolsky, and J Wasserman, Photoelectrochemistry with controlled DNA-cross-linked CdS nanoparticle arrays Angew Chem Int Ed 40, 1861–1864 (2001) 51 M Cais, S Dani, Y Eden, O Gandolfi, M Horn, E.E Isaacs, Y Joseph, Y Saar, E Slovin, and L Snarskt, Metalloimmunoassay Nature 270, 534–535 (1977) 52 M.J Doyle, H.B Halsall, and W.R Heineman, Heterogeneous immunoassay for serum proteins by differential pulse anodic stripping voltammetry Anal Chem 54, 2318–2322 (1982) 53 B Limoges, C Degrand, and P.J Brossier, Redox cationic or procationic labeled drugs detected at a perfluorosulfonated ionomer film-coated electrode J Electroanal Chem 402, 175–187 (1996) 54 F.J Hayes, H.B Halsall, and W.R Heineman, Simultaneous immunoassay using electrochemical detection of metal ion labels Anal Chem 66, 1860–1865 (1994) 55 J Wang, B Tian, and K.R Rogers, Thick-film electrochemical immunosensor based on stripping potentiometric detection of a metal ion label Anal Chem 70, 1682–1685 (1998) 56 M Dequaire, C Degrand, and B Limoges, An electrochemical metalloimmunoassay based on a colloidal gold label Anal Chem 72, 5521–5528 (2000) 57 X Chu, X Fu, K Chen, G Shen, and R Yu, An electrochemical stripping metalloimmunoassay based on silver-enhanced gold nanoparticle label Biosens Bioelectron 20, 1805–1812 (2005) 58 X Mao, J.H Jiang, J.W Chen, Y Huang, G.L Shen, and R.Q Yu, Cyclic accumulation of nanoparticles: a new strategy for electrochemical immunoassay based on the reversible reaction between dethiobiotin and avidin Anal Chim Acta 557, 159–163 (2006) 59 G.Z Zhou, J.S Li, J.H Jiang, G.L Shen, and R Yu, Chronopotentiometry based on nano-Au labeled aggregate enlargement used for the immunoassay of complement C3 Acta Chimi Sinica 63, 2093–2097 (2005) 60 K.T Liao and H.J Huang, Femtomolar immunoassay based on coupling gold nanoparticle enlargement with square wave stripping voltammetry Anal Chim Acta 538, 159–164 (2005) 61 G Liu and Y Lin, Electrochemical magnetic immunosensor based on gold nanoparticle labels J Nanosci Nanotech 5, 1060–1065 (2005) 62 J Wang, G Liu, and Y Lin, Bioassay label based on electroactive silica beads Small 2, 1134–1138 (2006) A Step Target Protein Capture with MMP Probes B SH Step Sandwich Captured Target Proteins with NP Probes Bevine Serum Albumin Nanoparticle (NP) Probe Target Protein (PSA) 13 nm NPs for Bio-Bar-Code PCR 30 nm NPs for PCR-less Method Step Chip-Based Detection of Bar-Code DNA for Protein Identification Bevine Serum Albumin Magnetic Microparticle (MMP) Probe Step Polymerase Chain Reaction Ag Au Gold Nanoparticle SH Capture DNA Bar-Code DNA Monoclonal Anti-PSA Polyclonal Anti-PSA Amine-Functionalized Magnetic Particle Step MMP Probe Separation and Bar-Code DNA Bar-Code DNA Dehybridization M Step PCR-less Detection of Bar-Code DNA from 30 nm NP Probes Magnetic Field Plate 14 The bio-bar-code assay method (a) Probe design and preparation (b) PSA detection and bar-code DNA amplification and identification (Reproduced from [17] with permission.) (see Figure 14.2) ϩ ϩ MB Biotinylated Capture Probe Biotinylated Target CdS labeled probe Silver Enhancement HBr Cd Amplification Au(III) HNO3 HNO3 Ag(I) Zn Au(III) MD Meϩ Au(III) Disposable ScreenPrinted Electrode Me2ϩ Me2ϩ M Au(I) MD Mercury Coated Glassy Carbon Electrode Au(I) Disposable ScreenPrinted Electrode (a) Cd Pb (b) (c) (d) (e) Plate 15 Nanoparticle-based electrochemical detection of DNA These assays involve the introduction of the probe coated magnetic beads, the addition of the target/hybridization event, magnetic removal of unwanted materials, binding of the metal, and amplified electrochemical detection of the dissolved gold (a), silver (b), and cadmium sulfide (d) nanoparticles Me: metal tag Also shown are solid-state stripping (c) and multi-target (e) detection protocols See text for details (see Figure 14.3) Plates-P373738.indd 10/18/07 7:24:54 PM C A R B O N Ru(bpy) 33ϩ Ru(bpy) 32ϩ Plate 16 Schematic illustration of an electrochemical immunoassay based on the poly[G]-functionalized silica NPs on carbon electrode Diamond stands for the mouse IgG; “Y” shape for mouse antibody; red strings for poly[G] (Reproduced from [62] with permission.) (see Figure 14.7) i/␮A Ϫ2 Ϫ4 Ϫ6 Ϫ8 Ϫ10 Ϫ0.8 Ϫ0.6 Ϫ0.4 Ϫ0.2 E/V vs Ag/AgCl 0.0 0.2 Plate 17 Cyclic voltammograms of [GOx/CNT]n immobilized on PDDA/GC electrodes in 0.1 M phosphate buffer solution (pH 7.4) at 0.1 V sϪ1, indicating an increasing response of [GOx/CNT]n with layer number from to (unpublished results, J Zhang, M Feng, and H Tachikawa) (see Figure 15.6) Plates-P373738.indd 10/18/07 7:24:55 PM ... n v nhãn nano v quang h c siêu nh y c m bi n sinh h c n t th nghi m sinh h c 443 Nanoparticle-based Biosensors and Bioassays 14.3 Các c m bi n sinh quang h c d a h t nano th nghi m sinh h c... n ràng bu c (và đ t đư c m t tín hi u khu ch đ i kh ng l ) b ng cách đóng gói nhi u phân t t o tín hi u m t máy ch h t nano Các c m bi n sinh h c th nghi m sinh h c d a v t li u nano có th đư... t nano [2, 9] Các b c m bi n sinh h c d a h t nano cung c p ti m l n cho ch n đoán DNA protein có th có tác đ ng sâu s c đ i v i hóa h c phân tích Các ng d ng c a h t nano thi t b c m bi n sinh