全 文 ：生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2009年第 2期·综述与专论·
收稿日期：2008-07-23
基金项目：重庆市自然科学基金（CSTC，2007BB5080），军队医药卫生科研基金课题（06G073）
作者简介：鲁卫平（1971-），男，在读博士，主要从事病原微生物检验诊断方面的研究
通讯作者：周元国，研究员，博导；E-mail：ygzhou@cta.cq.cn
典型的 DNA 生物传感器的生物受体为固定于
载体表面的单链 DNA，称为“捕获探针”。 分析物为
一互补的单链 DNA，称为“靶 DNA”，它通过碱基互
补配对的方式与捕获探针结合，从而固定于载体表
面。 荧光素是目前使用较广且技术比较成熟的靶
DNA 标记物。 荧光素敏感性高，荧光基团的多样性
可允许多色标记，从而在同一阵列中同时检测不同
来源的靶 DNA。 然而，荧光染料和检测设备非常昂
贵，荧光信号易淬灭，且操作要求严格，不适合常规
开展。 作为荧光素的替代，金属纳米微粒特别是纳
米直径的金微粒标记具有低价、稳定和独特的理化
性质，在生物传感上具有很好的应用前景。
纳米金属颗粒是指直径在 1~100 nm 尺寸的超
微粒子，这种微小颗粒具有与同组分的常规材料完
全不同的性能，如表面效应、小尺寸效应、宏观量子
隧道效应和量子尺寸效应，其电学、磁学、光学和化
学性质也会随之发生显著的变化，呈现出常规材料
不具备的优越性能。 特别是纳米金粒子，具有极佳
的比表面积，能大大增加固定的分子数量。此外，纳
米金还具有良好的生物兼容性，可与氨基发生非共
价的静电吸附而牢固结合，与巯基之间形成很强的
Au-S 共价键， 这使得纳米金可与生物活性分子结
合，且不会影响生物活性分子的结构和活性。因此，
纳米金微粒在 DNA 传感器以及 DNA 芯片的制作
方面极具潜在而广泛的应用价值。
1 光学检测
1.1 光吸收
纳米金微粒比较容易制作成稳定的胶体悬浮
溶液，胶体金有很强的吸光性，吸收光谱和强度由
其大小、 形状 、 组成和体积所决定 。 胶体金标记
DNA 有多种不同的技术， 最常用的方法是通过合
成 DNA 上修饰的巯基吸附到金粒子表面， 结合非
常稳定，其吸附能与共价结合键相似。 且这种吸附
不需要特殊试剂 ，只需对核酸稍作修饰 ，因此方法
纳米级金微粒在 DNA生物传感器研究中的应用
鲁卫平 周元国
（第三军医大学大坪医院野战外科研究所分子生物学中心，重庆 400042）
摘 要： 纳米金颗粒具有独特的物理、化学性质和良好的生物兼容性，已广泛应用于生命科学研究中的示踪技术。
将该技术与DNA传感器相结合，可显著提高生物传感器的灵敏度，缩短检测时间和提高检测通量，已成为近年来的研究
重点。
关键词： 纳米金 生物传感器 DNA传感器
Application of Nano-gold Particles in DNA Biosensors
Lu Weiping Zhou Yuanguo
（Molecular Biology Center of Daping Hospital of the Third Military Medical University，Chongqing 400042）
Abstract： The nano-gold particles which feature unique physical，chemical property and biological compatibility，has
been widely used in the tracer technology in life science research. The combination of DNA sensors and nano-gold
particles technology，which significantly increased the sensitivity of sensors，shorten the test time and improved the
detection flux，has become the focus of the study in recent years.
Key words： Nano-gold Biosensor DNA sensor
2009年第 2期
简单。 Alivisatos 等 [1]和 Mirkin 等 [2]采用纳米金粒子
修饰的单链 DNA， 通过与其互补的单链 DNA 模板
杂交产生金粒子聚合，金粒子聚合物可产生一个新
的较长波长的吸收峰，从而产生一个从紫色到粉红
色的颜色变化。由于液相反应中不易除去多余配体
等干扰因素，大多数方法是在标准的载玻片上的固
定单链 DNA 捕获探针和纳米金微粒修饰的互补单
链 DNA 杂交，或与未修饰的单链 DNA 和信号探针
实现“三明治”方式杂交。但这种成像检测的方法灵
敏度低，为此引入了银染信号放大技术。 将玻片上
经过杂交固定的纳米金微粒银染 15 min，信号可用
普通的平面扫描仪检测， 其灵敏度可达 50 fM，是
cy3 标记法的 100 倍 [3]。
1.2 瑞利（Rayleigh）散射和米氏（Mie）散射
当球形的纳米微粒暴露于波长比微粒直径至
少长 20 倍的电磁波中， 微粒的电子会发生与入射
波同频率的振荡， 这种振荡可产生瞬时的电磁辐
射，其频率与入射波频率相同，与粒子大小无关，这
种弹性散射被称为瑞利散色。如果入射光的波长小
于微粒直径， 微粒中各个电子的振荡各不相同，产
生微粒散射光的干涉。 这样随着微粒直径的增加，
散色光谱就会向长波长变化，这种现象称为米氏散
射。 金属离子的光散射，特别是金和银，效率极高。
在同样的激发条件下，一个 60 nm 的纳米金微粒的
亮度相当于 3×105 个荧光分子 。 基于这种散射特
性 ，Taton 等 [5]用纳米金微粒饰靶 ssDNA，与玻片上
的探针杂交，然后用白光从载玻片的边缘射入。 若
无杂交发生， 光线均一通过玻片不会发生散射现
象，当玻片上有杂交发生，纳米微粒就会紧紧地附
着在玻片上并产生光散射， 散射光可用 CCD 照相
或胶片成像，该方法检测灵敏度可达到 1 pM。 Taton[5]
还利用直径分别为 50 和 100 nm 的纳米金微粒，在
白光照射下会产生绿色和橙色散射光的特点，实现
了寡核苷酸阵列的双色分析，这种技术可替代荧光
法用于基因表达的比较。
另外，纳米金粒子经银染放大后可轻度增加光
散色。 目前已有商品化扫描仪测量光散色谱，检测
浓度为 100 fM 的靶 DNA， 只需要 1 h 的杂交和 5
min 银染放大后即可。 这种方法用于检测静脉血栓
相关基因的单核苷酸多态性，其鉴别力是使用荧光
芯片技术的 6 倍 [6]。
1.3 拉曼散射
发生弹性散射时，光子与介质中的粒子之间没
有能量交换， 光子只改变运动方向而不改变频率，
散射光具有与入射光相同的性质。除了这种弹性散
射光外， 一小部分光子以不同于入射光的波长散
射，称为非弹性散射。在非弹性散射过程中，光子不
仅改变运动方向，同时光子的一部分能量传递给介
质中的粒子， 相应散射光频率比入射光的要低；或
者介质中粒子的振动和转动能量传递给光子，相应
散射光的频率比入射光的要高，表明入射光从介质
内部得到了一部分能量， 从而改变了光子的频率，
这个导致非弹性散射的过程称为拉曼效应。 然而，
拉曼效应产生的散射光强度较低，不易检测。 用拉
曼光谱检测法检测玻片表面由纳米金标记的单链
DNA、靶 DNA 与捕获探针形成的 “三明治样 ”复合
物，若没有银放大，就检测不到拉曼散射。采用银放
大后，可检测到浓度低至 20 fM 的靶 DNA[7]。 这个
现象说明银是拉曼散射效应的表面增强剂，具有拉
曼活性的染料吸附银后形成大的电磁场，增强了自
身的振动 ，称为表面增强的拉曼散射 （The surface-
enhanced Raman scattering，SERS）。 SERS 检测的不
是银而是银包裹的拉曼染料，检测信号不受银沉积
的干扰。
1.4 表面等离子体共振（Surface plasmon resonan-
ce，SPR）
表面等离子体共振传感器是近年来迅速发展
起来的新型光化学传感器装置，其基本原理是当入
射光以一定的角度经一组光学器件（通常为一高折
射率的棱镜上顺序放置一层低折射率的偶合层耦
合激发后）， 在金属膜界面上发生表面等离子体共
振 ， 即入射光与界表面的自由电子会发生相互作
用，其中部分入射光波被电荷密度波吸收 ，则入射
光线不能发生全反射，从而导致反射光的强度大大
减弱，而且这种反射光的强度与界面上吸附的生物
物质分子的数量的多少成一定的比例关系。基于这
种原理的生物传感器通常将一种具特异识别属性
的分子即配体固定于金属膜表面，监控溶液中的被
分析物与该配体的结合过程。在复合物形成或解离
过程中，金属膜表面溶液的折射率发生变化 ，随即
鲁卫平等：纳米级金微粒在 DNA生物传感器研究中的应用 51
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2009年第 2期
被 SPR 生物传感器检测出来。
该技术已广泛应用于化学领域，包括物质特性
和气体传感。 1991 年， 出现了第一台名为 BIAcore
的商用生物分析仪，检测双分子复合物的形成。 此
后，被广泛应用于蛋白质间、蛋白质与 DNA 相互作
用以及结合参数的检测。该方法已成功地用于微阵
列检测未标记的 DNA， 并可在杂交过程中实现实
时监测，检测下限可达到纳摩尔（nmol）水平 [8]。而利
用高分子量或高光密介质如纳米金微粒进行标记，
可将该方法的灵敏度提高 1 000 倍，达到 pg 级 [9，10]。
2 机电检测
2.1 石英晶体微量天平（Quartz crystal microbalan-
ce，QCM）
石英晶体微量天平 （QCM）和微悬臂都是利用
了存在于一些装置的机械和电子参数间的物理耦
合。石英晶体微天平是基于石英晶体的压电效应对
其电极表面质量变化进行测量的仪器。交变激励电
压施加于石英晶体两侧的电极时，石英晶体会产生
机械振荡。 给电极通上交流电，当频率与石英晶体
的固有频率相同时，振幅变大，比一般情况下的振
幅要大得多，从而形成压电谐振。 若石英晶体表面
沉积了一定质量的物质，其振荡频率就会发生相应
变化， 频率的改变正比于压电石英晶体质量的增
加。 QCM 非常敏感，能够检测低于纳克（ng）水平的
质量变化。而且将其完全浸入液体中也能激发出稳
定的震荡， 因此可用于实时监测未标记的 DNA 分
子与捕获探针的杂交。尽管这种方法的灵敏度可达
纳摩尔水平，更低浓度则还需要依赖 PCR 扩增。 使
用纳米金标记的信号分子则可以提高灵敏度，可检
测浓度为 32 pM 的未标记 ssDNA[11]。 另一种放大的
程序是利用“树枝”方式，类似于依赖于金微粒网络
进行检测的光学方法。 其灵敏度达 100 pM[12]。 通过
在纳米金微粒表面进行金沉积可将灵敏度进一步
提高到 1 fM[13]。
2.2 微悬臂
微悬臂是指阵列中每一个位点上覆盖的特殊
传感器，它能将物理和化学的变化转化为一个微机
械反应——悬臂的弯曲或偏向。微悬臂生物传感器
是通过在悬臂的表面固定上特殊的生物敏感层，当
被检测物质经扩散进入该敏感层，与敏感层分子发
生反应引起悬梁产生机械响应，并通过换能器转换
为电学信号记录下来进行分析。当悬梁表面吸收分
子后，质量增加，引起响应频率的降低，频率改变的
大小即反映了所吸附分子的质量 [14]。 该方法已成功
地应用于未标记 DNA的检测，灵敏度达 10~75 nM[15]。
近来有文献报道利用 13 nM 直径的金标记并银染
放大信号后检测灵敏度增加 200倍，达到 0.05 nM[16]。
3 电化学检测
由于纳米粒子具有独特的电学性质和良好的
生物兼容性，许多研究小组将纳米粒子引入电化学
DNA 生物传感器中， 发展了基于纳米微粒的电化
学 DNA 杂交检测方法 [17~19]。 纳米粒子在电化学 DNA
生物传感器中的应用主要在两个方面：一是改进分
子识别物质的固定化方法，提高固定量；二是提高
电化学信号指示剂的灵敏度 ， 从而提高电化学
DNA 传感器的检测灵敏度 。 常用的在电极表面固
定 DNA 的方法有：静电吸附法 、共价键合法 、自组
装法等。在此基础上，先在电极表面修饰纳米粒子，
再固定 DNA，可大大提高其固定量，相应地提高杂
交反应后靶 DNA 的含量，从而提高 DNA 检测的电
化学响应信号。 Cai 等 [20]将半胱胺酸通过巯基自组
装修饰在金电极上，然后在半胱胺酸的氨基端连接
金纳米粒子，得到金纳米粒子修饰的金电极。 将待
测的寡核苷酸组装在金纳米粒子修饰的金电极上，
金纳米粒子的高比表面积可大大提高 DNA 的固定
量，从而提高了检测的灵敏度，DNA 的检出限为 5×
10-10 mol/L。
阳极溶出伏安法（ASV）是一种常用的、高灵敏
的痕量金属检测法， 是电化学 DNA 传感器常用的
电化学信号的检测方法。它是将吸附到杂交体上的
纳米金属微粒酸溶解并通过阳极溶出电化学法测
量金属离子。 应用这种技术时，金属纳米微粒标记
的靶 DNA 与磁性小珠标记的捕获探针杂交， 通过
磁性吸附去掉未结合的 DNA， 强酸氧化溶解出金
属粒子，用 ASV 进行检测 [21]。 这种检测是非直接的，
而是将纳米微粒溶解后检测。 纳米金微粒、银放大
的金微粒以及金包裹的铁、银、锌、镉和氧化铅等微
粒已成功用于 DNA 的检测，灵敏度从 pM 至 fM。每
一种微粒产生一种不同的伏安信号，因此可以使用
相同的工作电极同时检测检测多个纳米微粒标记
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的 DNA。 但是将阳极溶出伏安法整合成微阵列很
困难，因为来自于标记金属微粒的离子不能扩散到
邻近的电极。 Ozsoz 等 [22]使用石墨电极上固定捕获
探针， 与金标记的靶 DNA 杂交后使金粒子聚集在
电极上，然后用差异脉冲伏安法检测。 PCR 扩增产
物检测限为 0.78 fM。 因此，带有不同捕获探针的石
墨电极可集合成阵列。 Park 等 [23]用纳米金电极芯片
检测寡核苷酸的报道发表在 Science 上。 该试验把
微电极分别固定在芯片两端，形成大约 20 μm 宽的
狭缝，电极间的芯片上固定有探针。 当一段结合有
13 nm 金颗粒的目标核苷酸通过碱基互补配对与
芯片上的探针结合时， 纳米金颗粒被引入到电极
间，银增强剂包裹纳米金颗粒而填补了电极间的空
隙，相当于在两电极上搭桥，使得电路被导通，然后
用测量两电极间的电阻值 ， 从而得到互补核酸的
量。
4 展望
随着生物科学、 信息科学和材料科学发展，生
物传感器技术飞速发展。光纤传感器正受到研究人
员的重视，其原理是在光纤表面固定上生物识别单
元，当倏逝波穿过生物识别单元时，或产生光信号，
或导致倏逝波与光纤内传播光线的强度、相位或频
率的改变，通过测量这些变化，即可获得生物识别
单元上的变化信息。光纤传感器是一种光电转换设
备，具有抗腐蚀、抗电磁辐射和电子频率干扰的能
力。 此外，光纤易于集成在一起形成高通量的检测
阵列，且每根光纤相互独立检测，互不干扰。若能将
该传感器技术与纳米微粒有机地结合，从而改进光
纤表面生物活性物质的固定方法，以及生物识别单
元信息变化的检测方法，将有利于高通量、便携式、
智能化与集成化的新型 DNA 传感器的研制。
可以预见， 高灵敏度和高选择性的 DNA 生物
传感器将得以快速发展，以适应生命科学研究和临
床医学的需要。纳米金粒子以其独特的光电以及生
物学特性将在 DNA 生物传感器的研究开发中发挥
更重要的作用。
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