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

Nanoparticle NP Probe SH Bevine Serum Albumin 2.. Bevine Serum Albumin Gold Nanoparticle Monoclonal Anti-PSA SH Capture DNA Polyclonal Anti-PSA Bar-Code DNA Amine-Functionalized Magnetic

C ác c m bi n sinh h c d a trên h t nano và các th nghi m sinh h c

Guodong Liu, Jun Wang, Yuehe Lin, and Joseph Wang

14.1 Gi i thi u

14.2 T i sao s d ng h t nano?

14.3 C ác c m bi n sinh quang h c d a trên h t nano và th nghi m sinh h c

14.4 C ác thi t b c m bi n sinh h c đi n hóa d a trên h t nano và th nghi m sinh h c

14.4.1 C ác thi t b c m bi n sinh h c đi n hóa DNA d a trên h t nano và các bài

ki m tra sinh h c

14.4.2 Nanoparticle-based electrochemical immunosensors and immunoassays

14.5 K t lu n và hư ng phát tri n

14.6 L i c m ơn

14.7 T ài li u tham kh o

14.1 Gi i thi u

S xu t hi n c a công ngh nano đang m ra nh ng chân tr i m i cho vi c áp

d ng các h t nano trong các c m bi n sinh h c và các 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 do các tính ch t v t lý và hóa h c

đ c nh t c a chúng Các tính ch t đó cung c p nh ng tri n v ng tuy t v i cho các

c m bi n hóa h c và sinh h c [1–3] Các h t nano v i các thành ph n và kích thư c khác nhau đã đư c s d ng r ng rãi trong nh ng năm g n đây như là các d u hi u v

s linh ho t và nh y c m đ i v i vi c truy n t i đi n, quang và các tr ng lư ng nh trong các s ki n ghi nh n phân t sinh h c khác nhau [4–8] Vàng keo và các 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 và ph m vi c a các h t nano có th đư c tăng cư ng đáng k b ng cách ghép chúng v i các ph n ng sinh tr c h c và các quá trình đi n (t c là vi

đi 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 và v i s hình thành c a các b ph n phân t sinh h c nano t o thành cơ s đ phát hi n siêu nh y quang h c và đi 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.

chu i polymerase (PCR) Các giao th c có tính năng khu ch đ i c a các b ph n phân t sinh h c nano v i các chương trình truy n d n quang h c ho c đi 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 và các quy trình khu ch đ i d a trên các v t li u nano, cũng có th đư c thi t k đ đáp ng nhu c u

nh y c m cao c a các nghiên c u sinh h c hi n đ i G n đây cũng có m t m i quan tâm đáng chú ý trong vi c s d ng các phân t sinh h c đ xây d ng c u trúc nano [1, 9] và trong vi c đi u ch nh và ch c năng hóa b m t các h t nano [2, 9] Các b c m bi n sinh h c d a trên h t nano cung c p ti m năng l n cho ch n đoán DNA và protein và có th có tác đ ng sâu s c đ i v i hóa h c phân tích

Các ng d ng c a các h t nano trong các thi t b c m bi n sinh h c có th đư c phân lo i thành hai lo i theo các ch c năng c a chúng:(1) đ u dò nano c c nh cho các ng d ng phân tích sinh h c và (2) h p ch t phân t nano làm nhãn cho các c m

bi n sinh h c và th nghi m sinh h c Chúng tôi d đ nh xem xét m t s bư c ti n và

nh ng c t m c quan tr ng trong phát tri n c m bi n sinh h c d a trên các nhãn h t nano

và vai trò c a chúng trong các c m bi n sinh h c và các th nghi m sinh h c đ i v i axit nucleic và protein Hơn n a, t p trung vào m t s tính ch t cơ 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 các ng d ng sinh h c khác nhau

14.2 T i sao 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 tuy t v i cho vi c thi t k các bài ki m tra sinh h c có đ nh y cao và ch n l c các axit nucleic

và protein Vi c t o ra các v t li u nano cho các c m bi n sinh h c c th và 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 và hình

d ng c a v t li u và do đó đi u ch nh các đ c tính v t lý và 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 các phân t sinh h c Các h t nano v i các thành ph n và kích thư c khác nhau đã đư c s d ng r ng rãi trong nh ng năm g n đây như là các d u

hi u v s linh ho t và nh y c m đ i v i vi c truy n t i đi n, quang và các tr ng

lư ng nh trong các s ki n ghi nh n phân t sinh h c khác nhau [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

và v i s hình thành các b ph n phân t sinh h c phân t nano t o cơ s cho s phát hi n quang h c và đi n t v i đ nh y PCR Các giao th c có tính năng khu ch đ i c a các b ph n phân t sinh h c nano v i các chương trình truy n

d n quang h c ho c đi 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 và các quy trình khu ch đ i d a trên các v t li u nano, cũng có

th đư c thi t k đ đáp ng nhu c u nh y c m cao c a các nghiên c u sinh h c

hi n đ i Các tính ch t xúc tác đ c đáo c a các 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 vô cùng 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 ra tín hi u trong m t máy ch h t nano Các c m bi n sinh h c và th nghi m sinh h c d a trên các v t li u nano này

có th đư c k t h p v i các quy trình khu ch đ i b sung, ch ng h n như s t p trung b m t ho c tái ch enzym Sau đây s th o lu n v các nhãn nano v quang

h c siêu nh y và c m bi n sinh h c đi n t và các th nghi m sinh h c

14.3 C ác c m bi n sinh quang h c d a trên h t nano và th nghi m sinh h c

Vi c s d ng các nhãn nano trong các c m bi n sinh quang h c (và các th nghi m sinh h c) đã đư c s d ng đ gi i quy t các gi i h n v hóa h c và quang ph đáng k c a các ch t h u cơ Công vi c ban đ u c a Mirkin và các đ ng nghi p đã

ch ng minh r ng s k t h p c a các h t nano vàng, gây ra b i s lai ghép DNA, d n

đ n các v t li u có đ c tính quang h c vư t tr i [10, 11] Ví d , các thu c tính quang

h c ph thu c vào kho ng cách c a các h t nano vàng đư c t ng h p đã đư c khai thác đ phát tri n m t phương pháp đo màu đơn gi n và nhanh chóng đ phát hi n các chu i nucleotides [11] S k t h p DNA bi n đ i nano này 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 các đư ng cong nóng ch y cho phép phân bi t thu n ti n các oligonucleotides v i đơn nguyên không hoàn h o[10, 12] Taton và c ng s mô

t m t phát hi n m ng scanometric DNA nh y c m cao d a trên vi c s d ng các

m c tiêu oligonucleotide, đư c dán nhãn v i các h t nano vàng, đ nh n di n các

đo n DNA trên m t con chip (Hình 14.1) [13] M t h t nano đư c thúc đ y gi m b c (1) đã d n đ n m t tín hi u khu ch đ i m nh m (105 l n) và tăng đ nh y c m

S’ GGA TTA TTG TTA – AAT ATT GAT AAG GAT 3

⬘ CCT AXT AAC AAT TTA TAA CTA TTC CTA

X = A (complementary), G,C,T (mismatched)

1.

2.

(target DNA)

Ag ⬘

hydroquinone (pH 3.8)

Ag(s) quinone

Au

Au

Au Ag

Au

H ình 14.1 Phát hi n m ng ADN Scanometric b ng các thăm dò h t nano phóng to S d ng các

m c tiêu oligonucleotide, dán nhãn v i các h t nano vàng, đ nh n bi t các phân đo n ADN trên m t con chip (đư c sao chép t [13] v i s ch p nh n).

g p 100 l n so v i các ki m tra d a trên s phát hi n d a trên 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 trên b m t các h t nano vàng K t t a b c t o đi u ki n cho hình dung c a nhãn h t nano và cho phép đ nh lư ng các m c tiêu trên cơ s các giá tr màu xám đư c ch p nh Ngoài ra, vi c s d ng nhãn nano đã làm thay đ i các quy trình nóng ch y đ cho phép phân bi t có hi u qu đ i v i các mismatch đơn cơ s

Pavlov et al báo cáo v vi c s d ng các h t nano vàng cho vi c khu ch đ i truy n t i quang h c c a các aptamer liên k t protein [14] Các h t nano vàng đã có ch c năng hoá v i aptamer thiolated (80 aptamers trên m i h t) Các aptamer liên k t v i ch t phân t thrombin protein gây ra các h t nano vàng đ t ng h p và ph h p th plasmon

c a h đ gi m

Tán x Raman (SERS) là 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 các h t nano vàng Cao và c ng s s d ng h t nano ch c năng v i oligonucleotides và thu c nhu m Ramanactive đ phát hi n DNA lai hóa[15]

Các h t nano vàng t o đi u ki n cho s hình thành c a m t l p m b c ho t đ ng như 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 đã đư c th c hi n b ng cách s d ng thu c nhu m Raman khác nhau Cư ng đ lư ng t hu nh quang cao c a các ch m lư ng

t bán d n (QDs) cũng có th d n đ n các nghiên c u sinh h c nh y c m đáng k

Hahn và 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 này

th hi n hai m c tăng đ nh y (cùng v i đ n đ nh cao hơn) so v i các thu c nhu m thông thư ng

Mirkin và các đ ng nghi p đã phát tri n m t phương pháp mã v ch sinh h c d a trên nanô b ng vàng d a trên nano đ phát hi n các protein xu ng đ n m c th p

nh t c a t y [17] Giao th c m nh m này d a vào các qu c u t ch c năng hóa

v i m t kháng th liên k t c th v i protein m c tiêu và m t kháng th th c p liên h p v i các h t nano vàng đư c mã hoá v i các chu i DNA đ c đáo đ i v i protein m c tiêu (Hình 14.2,

H ình 14.2 Phương pháp th nghi m mã v ch sinh h c (a) Thi t k và chu n b thăm dò (b) Phát hi n PSA và mã v ch DNA mã v ch và nh n d ng (sao chép t [17] v i s cho phép) (xem b ng 14 cho

phi ên b n màu.

2.

3.

1.

Nanoparticle (NP) Probe

SH Bevine Serum Albumin

2.

1.

Bevine Serum Albumin

Gold Nanoparticle

Monoclonal Anti-PSA

SH Capture DNA

Polyclonal Anti-PSA

Bar-Code DNA Amine-Functionalized Magnetic Particle

Step 5.

Chip-Based Detection

of Bar-Code DNA for Protein Identification

Step 4.

Polymerase Chain Reaction

Step 1.

Target Protein Capture with MMP Probes

Step 2.

Sandwich Captured Target Proteins with NP Probes

13 nm NPs for Bio-Bar-Code PCR

30 nm NPs for PCR-less Method

Target Protein (PSA)

b a

Bar-Code DNA

Step 3.

MMP Probe Separation and Bar-Code DNA Dehybridization

Magnetic Field

Step 4.

PCR-less Detection

of Bar-Code DNA from

30 nm NP Probes Magnetic Microparticle

xem B ng 14 cho phiên b n màu) S tách bi t t các thăm dò và m c tiêu ph c t p,

ti p theo là s kh huy t tương c a các oligonucleotides trên 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 ra t thăm dò h t nano Vi c tăng cư ng đáng k đã đ t

đư c vì m i máy dò h t nano mang m t s lư ng l n các 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 các trình t oligonucleotide khác nhau đ mã hóa các kháng nguyên

m c tiêu khác nhau Phép th mã v ch sinh h c d a trên h t nano đư c s d ng đ phát hi n ra kháng nguyên ti n li t tuy n (PSA) m c đ attomolar th p (aM ⫽ 10⫺

18 M), t c là đ nh y g p 6 l n đ l n hơn so v i xét nghi m ELISA tương ng.Ngoài

ra, cùng m t cu c kh o sát đã đư c s d ng đ đo d u hi u b nh gây ra b nh Alzheimer ADDL trong t y s ng não li u lư ng picomolar [18] Khái ni m mã

v ch sinh h c đã 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 là 30 b n trong 30 µL m u; zM ⫽ 10⫺21 M) [19] M t đóng góp g n đây c a Niemeyer và các đ ng nghi p đã cho th y s phát hi n nh y

c m quang h c c a các protein s d ng các h t nano vàng DNA [20] Trong trư ng

h p này, th nghi m mi n d ch nhi u l p đã gây ra 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 con đư ng h p d n khác cho vi c truy n t i quang h c các 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 trong các h t nano [21–26] Harma và c ng s đã 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 tuy n (PSA) c c k nh y c m PSA đã đư c phát hi n trong các 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 và đư c ph strepta-vidin, các h t nano 107 nm có n ng đ cao ch a hơn 30.000 ion Europium đư c thêm

b i beta-diketones PSA đư c theo dõi tr c ti p trên b m t c a gi ng mà không có b t

k bư c tăng cư ng b sung nào Đ nh y c a phép kh o nghi m là

1.6 ng/L, tương ng v i 50 fmol L⫺1 fM ho c 250 zeptomoles (250 ⫻ 10⫺21 mol⫺1)

c a PSA Ho t đ ng đ c hi u cao và đ c hi u th p c a các h t nano đã 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 cùng m t m u kh o sát Nhãn nanô này đã

đư c s d ng thành công đ phát hi n PSA mi n phí trong m u huy t thanh [22] và hormon kích thích tuy n giáp (m t d u hi u c a ch c năng tuy n giáp)[23] Trau và các đ ng nghi p đã báo cáo v m t th nghi m mi n d ch nh y c m cao đ i v i protein d a trên 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 (⬃2000 l n) đã đư c báo cáo liên quan

đ n s gi i phóng các 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 các phân t phát sáng cho m i s ki n liên k t đư c báo cáo b i Tan và các đ ng nghi p [25] V i m c đích này, thu c nhu m phát hu nh quang đư c đóng gói trong các h t nano silic đư c ch c năng hóa b ng m t thăm dò oligonucleotide Phương pháp đưa ra m t gi i h n phát hi n r t th p là 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 cũng 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 cũng 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]

14.4 C ác thi t b c m bi n sinh h c đi n hóa d a trên h t nano và

th nghi m sinh h c

Các thi t b đi n hóa g n đây đã nh n đư c s quan tâm đáng k trong vi c phát tri n các b c m bi n mi n d ch và sinh h c lai ghép DNA đ c hi u [27–29] Các

c m bi n sinh h c đi n hóa là 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 đi n c c d a vào s chuy n đ i c a ph n ng kháng th và kháng th Watson-Crick thành m t tín hi u đi n h u ích Các thi t b

đi n hóa cung c p các tuy n đ liên k t - c p đ phân t - các b ph n nh n d ng

và nh n di n tín hi u DNA (ho c kháng th -kháng nguyên) và đư c ch ng nh n đ đáp ng nhu c u v kích c , chi phí, kh i lư ng th p và năng lư ng c a phân tích ADN và ch n đoán protein [27–29] Đ nh y cao c a các thi t b c m bi n đi n hóa, cùng v i quá trình thu nh , kh năng tương thích v i các công ngh vi

mô hi n đ i, yêu c u v chi phí th p và đi n năng, và s đ c l p c a đ đ c

m u làm cho các ng d ng này tr nên tuy t v i cho vi c ki m tra gen và phân tán M c dù vi c s d ng b c m bi n sinh h c đi n ho c chip đi n t đang giai đo n đ u tiên, các máy phân tích DNA và protein đi n c m tay d s d ng đang ti n g n th trư ng [30] và d ki n s có tác đ ng đáng k lên DNA và protein trong tương lai ch n đoán S truy n d n đi n hóa c a các s ki n lai t o DNA thư ng đ t đư c trong k t n i v i các ch th đi n / b chèn ho c th enzyme

S truy n t i đi n hóa c a các s ki n nh n di n kháng th - kháng nguyên đã

đư c th c hi n liên quan đ n các ion kim lo i và các nhãn enzyme Vi c s d ng các b dò h t nano là tương đ i m i trong phát hi n đi n và cung c p cơ h i duy nh t cho vi c chuy n n p các tín hi u protein và các c m bi n DNA

14.4.1 C ác thi t b c m bi n sinh h c đi n hóa DNA d a trên h t nano và các bài

ki m tra sinh h c

Các l trình đi n d a trên h t nano đ phát hi n gen đã thu hút đư c nhi u s quan tâm Các phương th c m i như v y đư c d a trên 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], và các h t nano

b c[37] Các v t li u h t nano này cung c p cách giao ti p đ k t n i các s

nh n di n ADN v i vi c truy n d n tín hi u đi n hóa và đ khu ch đ i các

ph n ng đi n H u h t các chương trình này thư ng d a vào m t chuy n đ i phóng đi n hóa có đ nh y cao/Đo đ c các kim lo i Tách vôn th là m t k thu t đi n phân m nh m đ theo dõi các phép đo kim lo i[38] Đ nh y đáng kinh ng c c a nó là do bư c t p trung s n sàng “tích h p s n” trong đó các

m c tiêu kim lo i đư c tích lũy (l ng đ ng) vào đi n c c làm vi c Do đó các

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 các k thu t xung lư ng t đư c s d ng trư c đó đ theo dõi s lai t o DNA S phát hi n đi n c c siêu nh y như v y đã đư c th c hi n liên quan đ n nhi u

lo i m i và các m ng nano c u trúc liên k t DNA m i

M t s nhóm, bao g m c chúng ta, đã phát tri n các th nghi m lai hóa DNA

đi n hóa nano m nh m [31–37] Các phương th c đó d a vào vi c thu th p các đ u

dò nano b ng mã v ch DNA t i m c tiêu đã đư c lai, sau đó là s phân h y axit và

đo đi n c c phân c c c a các 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 các h t t khuy ch tán streptavidin[31], thông qua vi c s d ng các l p b m t chitosan ho c polypyrrole [37], ho c thông qua vi c h p ph lên các b c tư ng c a polystyrene

microw-ells [32] N ng đ Picomolar và Subnanomolar c a đích ADN đã đư c phát

hi n S tăng cư ng đ nh y hơn n a có th đ t đư c b ng cách phóng to ch t xúc tác vàng trong 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 các th h t kim lo i, v i

vi c tích h p s n có hi u qu phân tích tách đi n phân, m đư ng cho các gi i h n phát

hi n subpicomolar Vi c tăng cư ng b c trong đư ng d n đi n đã đư c áp d ng g n đây

đ phát hi n trong các h th ng “lab-on-chip” k t n i v i vi c nâng c p trên chip PCR

[42]

H ình 14.3 Phát hi n đi n hóa d a trên h t nano trên DNA Các xét nghi m này liên quan đ n

vi c gi i thi u các 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 các v t

li u không mong mu n, s k t dính c a kim lo i, và s phát hi n đi n hóa c a h t nano vàng (a), b c (b),

v à cadmium sulfide (d) Me: th kim lo i Các tín hi u đư c lo i b tr ng thái r n (c) và các 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).

Au(III)

Ag(I)

Au(III) MD

Au(I) Au(I) MD

M

HBr Au(III)

Silver Enhancement

HNO3

MB

CdS labeled probe

Cd Amplification

Biotinylated Target

Biotinylated Capture Probe

Zn Cd Pb

Me ⫹

Me 2 ⫹

Me 2 ⫹

Mercury Coated Glassy Carbon Electrode Disposable

Screen-Printed Electrode

Disposable Screen-Printed Electrode

HNO3

⫹

⫹

Vic lai các h t t tính b c thăm dò v i các m c tiêu đư c g n nhãn vàng cho k t

qu là các c u trúc m ng ba chi u c a các h t t tính “l n” (micromet), liên k t chéo qua DNA và các h t nano vàng Trong các t p h p này, xo n kép DNA như m t cây c u n i các h t t v i các h t nano kim lo i Theo quan sát th y không có s k t h p như v y khi có m t các oligonucleotide không b sung ho c không kh p nhau S k t

h p do ADN tương t đã đư c khai thác b i Mirkin và các đ ng nghi p đ phát hi n ra

s liên k t v i các thay đ i màu ph thu c vào kho ng cách[11] G n đây, chúng tôi đã

mô t m t phương th c đi n hóa đ phát hi n DNA lai d a trên vi c chu n b các đi m đánh d u kim lo i d c theo xương s ng DNA (thay vì n m b t nó cu i c a xo n kép)

[43] Phương th c m i d a trên s t o ra các dây nano d n đi n do khuôn m u DNA

t o ra như m t phương th c thu gi các th kim lo i Vi c s d ng ADN làm khuôn

m u hóa đã t o ra các ho t đ ng nghiên c u nh m t o ra các dây nano d n đi n và xây

d ng các m ch ch c năng [44–46] Cách ti p c n như v y đã đư c áp d ng đ tăng thêm

b c [44], palladium [45], ho c các nhóm platinum [46] trên m u DNA Tuy nhiên, vi c

g n các dây kim lo i lên m u DNA đã không đư c khai thác đ phát hi n DNA lai Các

k ho ch phát hi n m i bao g m các t p h p vector tĩnh đi n “c a các ion b c d c theo các m c tiêu DNA đư c c đ nh, ti p theo là s hình thành các h p ch t b c hydroquinone k t tinh d c theo b xương ADN, cùng v i s gi i phóng và đi n phân c a

c m b c nano

Mirkin và các đ ng nghi p đã phát tri n m t phát hi n đi n d a trên m ng b ng cách s d ng các h t nano vàng có ch c năng oligonucleotide và các đi n c c nh liên

k t v i nhau[47] Thăm dò các oligonucloetide đã đư c c đ nh trong kho ng cách

gi a hai đi n c c S ki n lai t o này giúp đ nh v các h t nano vàng trong kho ng cách đi n c c và cùng v i s l ng đ ng b c d n đ n xu t hi n tín hi u đi n có th

đo đư c Các tín hi u d n đi n liên k t v i s thay đ i đi n tr trên khe đi 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 đi m cao (v i m t y u t 100 000: 1) không có đ b n nhi t

Urban et al đã ch ra đư c, s thay đ i c a đi n tr trên m t kho ng cách vi đi n là

k t qu t quá trình lai DNA nanô 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 như v y c a toàn

b m ng cho th y s tuy t v i c a ng d ng t i t ng đi m Vàng keo cũng đư c s

d ng đ c i thi n s b t đ ng c a DNA trên b m t đi n c c và do đó làm tăng kh năng lai ghép c a b m t[49] Vi c s d ng các v t li u h tr nano như v y là đáng tin c y v t l p ráp trên đư ng kính kính nano 16 nm vào đi n c c vàng cystamine

và t o ra m t đ b m t c a oligonucleotides cao đ n 4 ⫻ 1014 phân t cm⫺2.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 là 500 pM

Dođ c tính đ c đáo (có th đi u ch nh đi n t ), các tinh th nano bán d n (tinh qu ng

lư ng t ) đã t o ra s quan tâm đáng k cho vi c phát hi n DNA quang h c [12] Ho t

đ ng g n đây đã ch ng minh đư c ích l i c a h t nano lư ng t ch m đ tăng cư ng

đi nphát hi n DNA [33, 34, 50] Willner et al báo cáo v vi c truy n d n quang đi n hóa các c m bi n DNA k t n i v i các m ng t bào nano CdS liên k t chéo DNA[50]

S ràng bu c tĩnh đi n c a Ru(NH3)6⫹ ch p nh n electron đ n dsDNA

cung c p m t đư ng h m cho các đơn v electron và d n đ n tăng photocurrents Chúng tôi đã báo cáo v vi c phát hi n DNA lai ghép k t h p v i các ch t dò nano và các phép đo đi n phân c a cadmium[33] S gia tăng ch t xúc tác cadmium lên nano đã

đư c s d ng đ phóng to nhãn các h t nano và khu ch đ i tín hi u lai tách DNA(Hình

14.3, xem b ng 15 v i phiên b n màu) Ngoài các phép đo c a ion cadmium, chúng tôi đã ch ng minh các phép đo tr ng thái r n sau k t h p chu i h t t /DNA lai/

CdS lên đ u dò đi n c c dày Phương th c như v y k t h p các tính năng khu ch

đ i c a các b ph n h t nano/polynucleotide và 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 năng tái s n xu t t t (RSD ⫽ 6%) M t phương th c g n đây đã đư c m r ng t i các ch t keo vô cơ khác (ví d ZnS

ho c PbS) có th đư c t ng h p tương t trong mixen đ o ngư c S m r ng như v y đã m đư ng cho m t công ngh mã hoá đi n hóa đ phát hi n đ ng

th i nhi u đích DNA d a trên các th nanocrystal v i nhi u ti m năng oxy hóa kh [34] Ch c năng hóa các th tinh th nano b ng các thăm dò oligonucleotide thiolated do đó đưa ra m t ký hi u voltammetric v i các tín hi u đi n khác nhau cho các m c tiêu DNA lai tương ng (Hình 14.3e, xem b ng 15 phiên b n màu) V trí và kích thư c c a các đ nh núi k t qu cung c p s nh n d ng mong mu n và thông tin

đ nh lư ng tương ng trên m t DNA m c tiêu nh t đ nh Kh năng 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 đi n phân tích voltametry (đ t o ra gi i h n phát hi n femtomolar) và v i vi c lo i b hi u qu các axit nucleic không đư c lai t o đ cung c p đ nh y và đ ch n l c cao Do đó, có

th đo đư c t i sáu m c tiêu cùng m t lúc v i k t n i các h t bán d nZnS, PbS,

CdS, InAs, và 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) do đó 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 đi n gi i d a trên h t nano và xét nghi m mi n d ch

Trên cơ s m t ph n ng c th c a kháng th và kháng nguyên, các ch t c m ng

mi n d ch cung c p m t công c nh y c m và có ch n l c đ xác đ nh các ch t mi n

d ch đây, v t li u mi n d ch b c đ nh trên đ u dò; ch t phân tích đư c đo b ng

m t loài nhãn liên h p v i m t trong các 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 là 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 Không có nhãn lý tư ng,m i lo i đ u có nh ng l i th và b t l i riêng c a mình Các th nghi m mi n d ch c a Metall, t c là nh ng nghiên c u không liên quan đ n nhãn mác d a trên kim lo i, đư c phát tri n vào nh ng năm

1970 [51] đ kh c ph c các 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 đi n hóa có th mang l i nhi u ưu đi 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 cùng trong môi trư ng đ c, v i kh năng có đ nh y t t cho m t thi t b tương đ i r ti n (lĩnh v c cơ đ ng)

M c dù các k thu t đi n hóa cho phép các h p ch t h u cơ [52, 53]

ho c các 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 các d u hi u kim lo i cho m i s

ki n là vi c s d ng m t nhãn nano kim lo i, bao g m hàng ngàn nguyên t kim lo i

Vàng keo là m t trong nh ng ng c viên t t nh t cho mi n d ch đi n gi i và th nghi m mi n d ch vì ho t đ ng oxy hóa tuy t v i c a nó Murielle et al l n đ u tiên báo cáo m t phép th mi n d ch đi n hóa nh y c m d a trên nhãn vàng keo, sau khi

gi i phóng kim lo i vàng oxy hóa trong 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 đi n c c in trên màn hình (SPE) [56]

Phương pháp đã 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) và n ng đ th p 3 ⫻ 10⫺12 M đư c xác

đ nh, có kh năng c nh tranh v i phương pháp ELISA ho c v i các th nghi m mi n

d ch d a trên nhãn flutene europium chelate Chu et al báo cáo m t phép th mi n

d ch đi n hóa tương t d a trên b c trên nhãn keo vàng, sau khi dung d ch kim lo i

b c trong dung d ch axit, đư c xác đ nh gián ti p b i ASV t i m t đi n c c th y tinh-cacbon [57] Phương pháp đã đư c đánh giá cho m t bài ki m tra mi n d ch không

đ ng nh t không c nh tranh c a m t immunoglobulin G (IgG) như m t mô hình

Dòng anod t y tr ng b c ph thu c tuy n tính vào n ng đ IgG trong ph m vi t 1.66

ng mL⫺1 t i 27.25 ng mL⫺1 trong m t bi uđ logarit Gi i h n phát hi n th p 1 ng

mL⫺1 (i.e 6⫻10⫺12 M) IgG con ngư i đã đ t đư c

M t phương pháp m i d a trên s tích t cyclic c a các h t nano vàng đã 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 và 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 các h t nano vàng đư c s

d ng cho đ nh lư ng phân tích cu i cùng Dòng đ nh anodic tăng d n theo chu k tích lũy ngày càng tăng Năm chu k tích lũy là đ đáp ng cho thí nghi m N n th p c a phương pháp đư c đ xu t là m t l i th khác bi t cung c p kh năng xác đ nh ít nh t

0.1 ng/mL⫺1 human IgG

M t phương pháp ki m tra mi n d ch đi n hóa d a trên 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 đã đư c Zhou et al

[59] Khi các t h p đư c hình thành t nhãn nano Au goat-anti-human C-3 và th

nano Au rabbit-anti-goat IgG đã đư c c đ nh trên b m t đi n c c b ng phương pháp x p l p (kháng th - kháng nguyên- t ng h p), tín hi u đi n hóa c a đi n c c đã

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 trong ph m vi 0.12, tương t như ⬃117.3 ng mL⫺1, và gi i h n phát hi n

là 0.02 ng mL⫺1 Liao et al báo cáo m t th nghi m mi n d ch đi n gi i b ng cách tích phân t xúc c a

Au3 ⫹ ên 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 vuông, các h t nano vàng phóng to đư c g n nhãn trên goat

anti-rabbit globulin mi n d ch G (GaRIgG-Au) và do đó 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 trong m t d i đ ng năng t p trung r ng (1–500 pg mL⫺1; R2⫽ 0.9975), m t gi i h n phát hi n r t th p đã thu đư c Gi i h n là 0.25 pg mL⫺1 (1.6 fM),