碳纳米材料的同位素标记及其在纳米毒理分析研究中的应用

碳纳米材料因独特的物理化学性质,而成为纳米产品中使用最多的纳米材料之一.这些纳米材料不可避免地通过各种途径进入环境,其生物安全性研究是碳纳米科技健康发展亟待解决的关键科学问题.寻找和建立针对环境生物体系中碳纳米材料高灵敏、本征的定量检测方法,获得与环境生物体系相关的数据,是推动其环境纳米生物效应和安全性研究的关键.在纳米毒理学研究中,同位素标记分析方法是一种不可替代的定量分析方法,尤其对碳纳米材料,具有独特的优势.结合现代分析技术,可本征、快速、准确、高灵敏地对其纳米生物效应与毒理学进行研究.本文综述了典型碳纳米材料的放射性同位素和稳定性同位素标记技术和方法、检测方法及其在碳纳米材料结构形成、生物体内定量吸收、分布、转化和排泄等纳米生物效应与毒理学分析研究的相关应用,并展望了同位素标记技术在碳纳米材料的毒理学研究和环境健康效应研究中的应用.     

无机纳米-生物界面作用的SERS研究

探索生命体对无机纳米材料的生物应答机制是高效、安全、可控地应用无机纳米材料的基础,其关键在于准确理解在生物体系中无机纳米材料与生物分子间的纳米.生物界面作用.本文主要探讨了在纳米-生物界面具有拉曼增强效应的金、银纳米材料;介绍了表面增强拉曼光谱(surface-enhanced raman spectroscopy,SERS)原位研究金、银等无机纳米材料表/界面吸附的核酸、蛋白质、磷脂等生物分子,以及细胞、病毒和细菌等与金、银纳米材料表/界面作用的研究进展;综述了SERS技术在探索纳米-生物界面作用机制、生物分子测定、生物分子界面行为监测中的应用.     

纳米材料-蛋白质界面相互作用的分子机制

纳米材料由于其优异的性能在化工、电子、机械、环境、能源、航天等各个领域已经得到了广泛的应用,并且在生物医学方面的应用越来越受到重视。纳米材料-蛋白质界面相互作用是纳米生物医学领域重要的科学问题,对于纳米材料的生物医学应用以及生物安全性评价至关重要。蛋白质分子与纳米材料在界面的相互作用,一方面可以诱导蛋白质的构象、组装结构甚至功能的改变,另一方面可以引起纳米材料的表面亲疏水性、电荷性质等表面物理化学性质的改变。基于蛋白质与纳米材料相互作用检测技术及结果,本文从分子水平阐述了纳米材料与蛋白质分子在界面之间的相互作用机理及相应的结构与性质的变化,从而可以深化对两者之间复杂的相互作用机制的理解,对于推进纳米材料在生物医学的应用及健康、安全、持续发展具有重要意义。     

碳纳米材料的超分子表面修饰及应用

目前碳纳米材料已经成为纳米科学研究中的热点,它的特殊结构使其具有特殊的物理化学性能,对其进行超分子修饰可以提高其分散性以及赋予其新的性能,已经引起研究人员的广泛兴趣.本文综述了近年来碳纳米材料的超分子修饰以及其应用研究.重点阐述碳纳米管和石墨烯通过不同的超分子作用,如pi-pi相互作用、疏水相互作用、氢键相互作用、静电相互作用等进行修饰制备具有不同功能的超分子碳纳米材料,以及在光电材料、药物和基因传输以及化学生物传感器等领域的应用.     

纳米颗粒-蛋白相互作用及其生物效应研究

纳米颗粒和蛋白分子的相互作用及其生物学效应是当今纳米生物领域的研究热点之一,对于正确评估纳米安全性,指导纳米颗粒的生物学应用具有重要意义.本文首先介绍了纳米颗粒和蛋白分子之间的相互作用,在总结国内外相关文献和课题组工作的基础上,重点阐述了纳米颗粒-蛋白冠对蛋白分子的结构和功能、纳米颗粒的生物相容性及细胞摄取等的影响,指出在进一步的工作中,应注重研究纳米颗粒-蛋白冠对某一具体生物学过程的影响,为设计具有不同生物学应用的纳米颗粒-蛋白冠提供基础.     

碳纳米管与生物分子的相互作用*

碳纳米管是一种具有特殊结构和性质的新型一维纳米材料,在生物学和临床医学上已有许多应用研究。大量研究表明,碳纳米管在药物载体、医学成像、疾病检测等方面有广泛的应用前景,碳纳米管与生物分子相互作用的具体机理和形式也成为目前研究的热门方向。本文总结了近几年来碳纳米管与氨基酸、多肽、蛋白质、酶、DNA等多种生物分子之间的相互作用,并对碳纳米管的生物学效应进行了相关综述。     

纳米富勒烯(nC60)的生态毒性效应

随着纳米技术的飞速发展,纳米材料的应用日趋广泛.同时,纳米材料的大规模生产和应用对人体健康与生态环境可能产生的安全风险也引起了人们的普遍关注.富勒烯是应用最广泛的纳米材料之一,在水中能形成稳定的水溶性纳米颗粒,进而增大其在环境中的迁移性与生物暴露几率.然而目前对纳米富勒烯(nC60)的环境和毒性效应还知之甚少.本文综合评述了水溶性nC60纳米颗粒的制备、稳定机制、在环境中的迁移特性及其与环境中污染物的相互作用,并着重阐述了nC60可能产生的生物毒性效应.分析表明,nC60的生物毒性效应主要与nC60的表面化学特性和颗粒大小有关,同时环境介质也影响nC60的毒性.最后讨论了nC60生态环境效应研究中应加强的若干方面.     

纳米颗粒与蛋白质分子的相互作用

纳米技术的快速发展和广泛应用前景,引起了人们对纳米生物效应和安全性问题的普遍关注。为保证纳米技术的健康持续发展,纳米颗粒与生物体的相互作用以及产生的生物学效应不容忽视。为充分了解纳米颗粒物产生的生物学效应,阐明纳米颗粒如何进入生物体以及与生物体相互作用的分子过程至关重要。在总结国内外相关研究的基础上,本文介绍了纳米颗粒进入机体的主要途径,并系统综述了纳米颗粒与蛋白质分子的相互作用及其表征方法,以及纳米颗粒与蛋白质相互作用对蛋白质结构功能和纳米颗粒生物效应的影响。     

高分子纳米材料与血浆蛋白的相互作用

由于纳米材料具有独特的物理和化学性能,使其在许多领域被广泛应用。纳米材料使用的日益增多要求我们仔细评估其难以预料的毒性（细胞毒性、溶血毒性、血液毒性和免疫毒性）和生物学相互作用。到目前为止,已有大量的研究旨在探索纳米材料与人的细胞或蛋白之间的相互作用,也取得了一些重要成果。在临床应用中,有些生物医用纳米材料常通过静脉注射、渗透、溶解和扩散等方式引入到血液组织中。血液是一种高度复杂的组织,主要由红细胞、白细胞、血小板和血浆组成。其中血浆是一个复杂的体液,它包含超过3700种不同的蛋白质。无论采用哪种方式,这些纳米材料将不可避免地会与丰富的血浆蛋白（或其他血液成分）发生某种联系和相互作用。然而,纳米材料和血浆蛋白之间的相互作用,可能在决定纳米材料的毒性方面起到至关重要的作用。目前对纳米材料与血浆蛋白（或其他血液成分）在分子水平会发生怎样的相互作用知之甚少。本文主要综述了典型的三类高分子纳米材料（包括聚阳离子,高分子胶束和药物（基因）/载体复合纳米粒子）与血浆蛋白的相互作用以及研究这些相互作用相关的分析技术的研究进展,这些内容对体内使用的纳米材料的分子设计和血液安全性非常重要。     

纳米材料生物效应及其毒理学研究进展

纳米科学与信息科学和生命科学并列, 已经成为21世纪的三大支柱科学领域. 由于纳米材料独特的物理化学性质, 纳米尺度及纳米结构的材料乃至器件, 已逐渐走出实验室, 进入人们的生活. 这些具有独特物理化学性质的纳米材料, 对人体健康以及环境将带来的潜在影响, 目前已经引起科学界, 乃至政府部门的广泛关注. 文中分析综述了几种纳米材料(纳米TiO₂、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管及超细铁粉)目前已取得的部分生物效应及毒理学的研究结果, 包括纳米材料在生物体内的分布、作用的靶器官、纳米材料引起的细胞毒性、细胞凋亡等. 文中还评价了纳米颗粒的生物毒性. 纳米颗粒的尺寸越小, 显示出生物毒性的倾向越大; 尽管碳纳米管是由石墨层卷成的圆筒, 但是根据石墨的安全剂量来外推碳纳米管的安全剂量是不可行的, 碳纳米管的生物毒性远大于石墨粉; 表观分子量高达60万的水溶性纳米碳管, 在小鼠体内却显示出小分子的生理行为; 一种正在研究的磁性纳米颗粒在动物体内显示出迅速团聚、堵塞血管等现象. 纳米材料在生物体内呈现出的这些生理现象, 仅利用现有的知识尚无法解释. 最后还介绍了纳米物质生物效应(包括毒理学, 安全性)研究的部分实验方法; 展望了该新领域今后的发展方向和亟待研究的重要问题.     

基于DNA纳米结构的分子间相互作用研究

研究生物分子间的相互作用是研究生命本质过程中必不可少的环节.近年来,DNA纳米技术在分子间相互作用的研究中发挥了重要作用,取得了一系列进展. DNA纳米结构具有高度的可编程性和可寻址性,可以利用这些性质采取不同的方式将待测体系修饰在DNA纳米结构上,而且可以精确控制分子的排布、种类、数目等,因此可以作为研究分子间相互作用的模板.在此基础上结合单分子技术,如单分子荧光成像(SMF)、原子力显微术等(AFM),可以实现对单个分子的行为观测.本文首先简述了DNA纳米结构作为研究平台的构建,然后对DNA纳米结构在研究分子间相互作用中的应用进行了阐述,包括用作锚定平台、提供具有一定机械性能的支架以及提供纳米级的微环境,最后对DNA纳米技术的发展进行了总结与展望.     

无机纳米晶-生物界面作用的分子机制

无机纳米晶材料以其独特的光、电、磁、力学性质,成为疾病诊断与治疗功能的关键材料.本文总结了无机纳米晶的表面化学活性、离子释放性、晶相结构、晶格缺陷、表面吸附和表面修饰等与尺寸相关的理化性质与生物效应之间的关系.综述了无机纳米晶与蛋白质、磷脂生物膜间的界面相互作用,探讨了纳米晶-生物界面作用的分子机理.这有助于理解无机纳米晶的生物行为和毒理性质,指导设计安全、高效的纳米晶生物医学材料.     

同步辐射及相关核分析技术在纳米材料生物效应研究中的应用

伴随纳米技术的发展,纳米材料的生物效应研究成为热点,然而这一新兴的研究领域对传统的研究方法提出了挑战,其深入研究有赖于方法学的发展。同步辐射是具有高亮度、高准直、宽频谱等优异性质的光源,其在元素分析及物质原子或分子尺度的结构表征方面具有独特的优势。本文介绍了同步辐射及相关核分析技术,主要包括同步辐射X荧光分析、同步辐射X射线吸收光谱(扩展X射线吸收精细结构EXAFS,X射线吸收近边结构XANES)、同步辐射圆二色谱、电感耦合等离子体质谱、中子活化分析、同位素示踪技术等在纳米生物效应研究中的应用,结合本实验室以及国内外的研究工作详细阐述了基于同步辐射以及相关核分析方法应用于纳米材料表征及其在生物体内的定量、分布、结构分析等方面的最新进展。     

纳米毒理学研究中的放射分析方法

随着纳米技术及其应用的迅速发展,纳米材料对生命体和生态环境的影响引起了社会公众、纳米产品生产厂家、科研工作者和各国政府的密切关注。纳米毒理学已成为纳米技术和毒理学的重要分支。纳米毒理学研究依赖于多种分析方法,用于纳米材料物理化学特性的表征及检测生命体中的纳米材料。放射分析方法由于其高灵敏度、高准确度、原位和体内分析能力,在纳米毒理学研究中能够发挥重要作用。本文综述了放射分析方法在纳米毒理学研究中应用的最新进展,重点介绍了针对不同纳米材料的放射性标记技术。     

双偏振干涉技术(DPI):生物分子相互作用研究的新工具

双偏振干涉(dual polarization interferometry,DPI)技术是近年来发展起来的一种免标记、实时、高灵敏和高分辨率的表面分析技术.它能够精确测量分子相互作用界面层的密度、厚度和质量的绝对值,可实时获取分子相互作用过程的动力学和结构信息.本文简单介绍了DPI的测量原理、仪器组成并对其与相关检测技术的对比进行了简要的概述;着重介绍了近10年来DPI技术在生物分子相互作用研究方面的应用进展,主要包括蛋白质之间以及与其他分子的相互作用,DNA与各种分子之间的相互作用,生物膜与其他分子的相互作用,蛋白质的吸脱附、聚集和结晶过程监测等;并对DPI技术未来的发展进行了展望.随着技术的不断发展,DPI将会在生物分析、纳米材料表征、能源相关表/界面研究等方面得到广泛应用.     

量子点与不同等电点蛋白相互作用的研究

随着纳米科技的飞速发展,纳米材料在各个领域均得到越来越广泛的应用.但是纳米材料本身具有较大的比表面效应,在实际应用中纳米材料很容易团聚,或与蛋白质等发生非特异性相互作用,这严重影响了其实际应用的效果.     

生物纳米孔道技术在非基因测序方面的研究与应用

纳米孔道分析技术是一种低成本、快速、无需标记的单分子检测技术,仅有20多年的发展历史,在DNA单分子测序领域展示出较好的应用前景,现已有商业化的产品面世且趋于成熟.越来越多的研究表明,纳米孔可作为一个通用的单分子传感器.本文综述了生物纳米孔道分析技术对蛋白质、多肽和核酸等单个分子与孔道间相互作用、动力学和热力学过程的实时监测以及多种生物大分子和金属离子的定量检测等方面的研究进展.在纳米孔技术中,电化学检测系统也十分重要,本文还特别介绍了高带宽及超低电流分辨仪器和相关软件的相关进展.     

2-巯基喹啉包裹的金纳米颗粒的制备及其电化学性质

纳米材料特有的尺寸效应、量子效应和表面效应使其具有许多异于常规材料的性质 ,在催化、生物传感器、微电子器件和磁性材料等诸多领域都有广泛的应用前景 [1] .已有专家预言 ,与纳米材料相关的技术将在新世纪经济发展中起主导作用 ,对其研究是目前科学研究中的热点 .金纳米颗粒是目前研究得最多的金属纳米材料体系 .传统的金纳米颗粒的制备方法以溶胶 -凝胶法为主 [2～ 4 ] ,所制备的金纳米颗粒的粒径较大 (一般大于 1 0 nm) ,粒径分布不均匀 ,易于团聚 ,因而限制了其应用 .为了解决上述问题 ,Brust等 [5]将硫醇化合物在金属表面的自组装…     

纳米材料在聚合酶链式反应体系中的应用研究进展

聚合酶链式反应(PCR)技术是现代分子生物学核心技术之一,研究提高PCR扩增效率的方法具有重要意义。传统提高PCR扩增效率的方法具有较多局限性,使得PCR扩增仍不能达到理想的效果。随着纳米技术的发展,纳米材料具有特殊的表面效应和尺寸效应,表面能进行多种修饰,易与生物大分子蛋白质、核酸等相互作用,对生物分子的结构和功能产生特别的影响。研究利用纳米材料来提高PCR扩增效率的技术和方法,具有非常重要的理论意义和应用价值。本文引用文献41篇,综述了近年来纳米材料在PCR体系中应用的现状,并展望了今后纳米材料在PCR体系中应用的发展方向及其前景。     

纳米材料在电化学生物传感器及生物电分析领域中的应用

纳米尺度上的生物分析化学是当今国际生物分析领域研究的前沿和热点.该文阐述了纳米粒子在电化学免疫传感器及电化学DNA传感器领域的应用,着重介绍了以纳米材料为载体设计新型的具有生物分子识别和电信号增强作用的纳米标记粒子在构建高灵敏电化学生物传感器以及多组分同时检测中的应用.