纳米生物复合材料相关实验中所涉及到的实验技术与概念

凝胶电泳：

凝胶电泳的原理比较简单。当一种分子被放置在电场当中时，它们就会以一定的速度移向适当的电极，这种电泳分子在电场作用下的迁移速度，叫做电泳的迁移率。它同电场的强度和电泳分子本身所携带的净电荷数成正比。也就是说，电场强度越大、电泳分子所携带的净电荷数量越多，其迁移的速度也就越快，反之则较慢。由于在电泳中使用了一种无反应活性的稳定的支持介质，如琼脂糖凝胶和聚丙烯酰胺胶等，从而降低了对流运动，故电泳的迁移率又是同分子的摩擦系数成反比的。已知摩擦系数是分子的大小、极性及介质粘度的函数，因此根据分子大小的不同、构成或形状的差异，以及所带的净电荷的多少，便可以通过电泳将蛋白质或核酸分子混合物中的各种成分彼此分离开来。

在生理条件下，核酸分子中糖-磷酸骨架中的磷酸基因呈现出离子状态，从这种意义上讲，DＮＡ和RNA多核苷酸链可叫做多聚阴离子(Polyanions)。因此，当核酸分子被放置在电场中时，它们就会向正电极的方向迁移。由于糖-磷酸骨架结构上的重复性质，相同数量的双链DNA几乎具有等量的净电荷，因而它们能以同样的速度向正电极方向迁移。在一定的电场强度下，DNA分子的这种迁移速度，亦即电泳的迁移率，取决于核酸分子本身的大小和构型，分子量较小的DNA分子比分子量较大的DNA分子迁移要快些。这就是应用凝胶电泳技术分离DNA片段的基本原理。

光热效应：

光热效应指材料受光照射后，光子能量与晶格相互作用，振动加剧，温度升高，由于温度的变化而造成物质的电学特性变化。利用光热效应的探测器：热敏电阻、热电偶、热电堆和热释电探测器等。其中，红色光的热效应最大。

荧光分析法：

利用某些物质被紫外光照射后处于激发态，激发态分子经历一个碰撞及发射的去激发过程所发生的能反映出该物质特性的荧光，可以进行定性或定量分析的方法。荧光分析的最大特点是：分析灵敏度高、选择性强和使用简便。

荧光共振能量转移（FRET）：

荧光共振能量转移是指在两个不同的荧光基团中，如果一个荧光基团（供体

Donor）的发射光谱与另一个基团（受体Acceptor）的吸收光谱有一定的重叠，当这两个荧光基团间的距离合适时（一般小于100?），就可观察到荧光能量由供体向受体转移的现象，即以前一种基团的激发波长激发时，可观察到后一个基团发射的荧光。

金纳米粒子的特性:

与块体金不同，金纳米粒子的价带和导带是分开的。当金的粒子尺寸足够小时，会产生量子尺寸效应，导致金纳米粒子向绝缘体转化，并能够形成不同

能级间的驻电子波。若能级间隔超出一定的范围同时发生单电子跃迁，将表现

出特殊的光学和电子学特性。

(1) 表面等离子共振特性

表面等离子共振是金纳米粒子最重要的性质之一，在水溶液和玻璃中，金纳米粒子呈现出深红色，便是其发生表面等离子共振的结果。它的产生是由于金纳米粒子表面导带中电子共振的结果，这种共振与入射光的电磁场有关。随着金纳米粒子的尺寸和形状发生变化，其表面等离子共振峰位置和形状也不同，因此可以通过吸收峰的位置以及溶液的颜色变化，判断金纳米粒子的产生、粒径大小和表面自组装情况。

(2) 荧光特性

金纳米粒子产生荧光的方式主要有两种，一种是将具有荧光性质的分子组装到金纳米粒子表面，该荧光团在激发下发光；另外一种是表面组装的分子吸收能量后通过分子内的能量传递给金纳米粒子，使金纳米粒子产生辐射发光。研究发现，在金纳米粒子表面组装上不同的分子后，会在金纳米粒子表面发生荧光共振能量转移。（两种荧光现象的发光主体不同）

(3) 电化学特性

由于金属纳米粒子的禁带和导带之间存在带隙，当纳米粒子的粒径足够小时，会产生量子尺寸效应，使金属从导体向绝缘体转换并产生不连续能级。对于有机单分子层保护的金纳米粒子，表面会存在双电层电容，这相当于一个纳米尺寸的电极，其双电层电容值随着粒子表面烷基链长度减少而逐渐增加。

(4) 超分子与分子识别特性

金纳米粒子表面的可控组装为分子识别提供了重要的方法和路径。金纳米粒子可以与很多基团通过范德华力、氢键、静电吸附、π－π 键、抗原抗体等相

互作用结合，此时紫外－可见光谱、红外光谱、荧光光谱等谱图中代表该识别体的特征峰会发生变化，进而实现识别、检测、分析的目的。另外，金纳米粒子与被识别体的官能团结合后也可以诱导超分子结构的形成，使其作为化学和生物分析的传感器，既能识别小分子和离子，又能识别生物大分子。

量子尺寸效应：

量子尺寸效应--是指当粒子尺寸下降到某一数值时，费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级或者能隙变宽的现象。

表面等离子共振：

表面等离子共振技术，英文简写SPR。应用SPR原理检测生物传感芯片上配位体与分析物之间的相互作用情况，广泛应用于各个领域。

细胞MTT测试：

商品名：噻唑蓝。是一种黄颜色的染料。 MTT主要有两个用途：

1．药物（也包括其他处理方式如放射线照射）对体外培养的细胞毒性的测定；

2．细胞增殖及细胞活性测定。

检测原理：MTT可以穿过细胞膜进入细胞内与活细胞线粒体中的琥珀脱氢酶反应生成难溶于水的甲臜结晶，该结晶溶于二甲基亚砜（DMSO）后在 490 nm 处出现吸收。由于死细胞中不含琥珀酸脱氢酶，加入 MTT 后不会生成甲臜，因此 490 nm 处的吸收值与活细胞数成正比。根据测得的吸光度值（OD值），来判断活细胞数量，OD值越大，细胞活性越强（如果是测药物毒性，则表示药物毒性越小）。

流式细胞术:

流式细胞术（Flow Cytometry, FCM）是一种在功能水平上对单细胞或其他生物粒子进行定量分析和分选的检测手段，它可以高速分析上万个细胞，并能同时从一个细胞中测得多个参数，与传统的荧光镜检查相比，具有速度快、精度高、准确性好等优点，成为当代最先进的细胞定量分析技术。

在肿瘤学中的应用:这是FCM在临床医学中应用最早的一个领域。首先需

要把实体瘤组织解聚、分散制备成单细胞悬液，用荧光染料(碘化吡啶PI)染色后对细胞的DNA含量进行分析。

也可以对细胞的存活数目进行统计。

微孔、介孔、大孔：

孔径小于2nm的称为微孔；孔径大于50nm的称为大孔；孔径在2到50nm之间的称为介孔（或中孔）。

寡核苷酸:

寡核苷酸，是一类只有20个以下碱基的短链核苷酸的总称（包括DNA或RNA内的核苷酸）。寡核苷酸可以很容易地和它们的互补对链接，所以常用来作为探针确定DNA或RNA的结构。

纳米药物载体的优势:

纳米药物载体主要是利用纳米粒子的小尺寸效应和高比表面效应改善人体对药物的吸收和人工控制药物的释放，同时利用纳米药物载体自身的屏蔽作用实现对药物的保护，与传统药物相比，具有十分明显的优势。

纳米药物载体一般具有多孔、中空、多层等结构特性，通过选择载体材料的种类和配比，或加以修饰连接刺激响应的释放系统，可以控制药物的释放速度与释放量，极大延长药物的半衰期，同时减少用药次数和用药量，减轻药物的毒副作用。甚至可以制成微小的直接包含药物的分子机器，在体内循环过程中制造出治疗所需的药物，解决许多需长期用药的疾病如高血压、冠心病、糖尿病等。

多肽类、蛋白质类、酶类及某些抗生素类药物口服后易被胃酸或胃肠道消化酶破坏而失活，只能通过注射给药，极大的限制了其应用，将药物包覆于纳米药物载体后，可提高这些药物的稳定性，避免药物与胃蛋白酶的接触，提高药物在胃肠道中的稳定性，此外对易氧化药物和挥发性药物具有很好的稳定作用。

纳米药物载体进入生物体后被机体作为异物，从而被巨噬细胞吞噬达到网状内皮系统分布集中的肝、脾、肺、骨髓、淋巴等部位，具有天然的网状内皮系统的被动靶向性。经过连接配体、抗体、酶作用底物等靶向性物质后的纳米药物载体可获得更精确的主动靶向性，定向作用于靶组织或靶器官或靶细胞释放药物，

在提高靶部位药物浓度的同时，有效减少了药物对正常组织的毒副作用，对具有良好药理作用但又难以有效达到靶部位或者毒副作用较强的药物（如阿霉素等）特别适合。

纳米药物载体可消除特殊生物屏障对药物作用的限制。生物体有许多保护机体不受损害的天然生物屏障，如血脑屏障、血眼屏障、细胞膜屏障等，这些屏障往往阻碍亲水性药物的吸收和利用，纳米颗粒可以改变其膜转运机制，增加药物对生物膜的通透性，有利于药物透膜吸收进入细胞内,更好地发挥疗效。如用氰基丙稀酸醋作载体制备的长春花胺纳米粒，口服给药后比水溶液制剂吸收更快、更安全。

此外，纳米药物载体的比表面积较大、连接的功能基团或活性中心多，利于修饰或偶联功能分子，实现疗效跟踪与治疗的同步化。

表面等离子共振效应（SPR）：

表面等离子共振（SPR）是一种光学现象，可被用来实时跟踪在天然状态下生物分子间的相互作用。这种方法对生物分子无任何损伤，且不需任何标记物。共聚焦显微镜（CLSM）的应用：

共聚焦显微镜有较高的分辨率，而且能观察到样本随时间的变化。因此，共聚焦显微技术在生物学研究领域起着不可或缺的作用。以下为共焦显微技术的几个主要应用方面：

利用激光共聚焦显微镜不仅可以清晰地观察被固定的细胞和组织切片，而且可以对活细胞的内部结构进行实时动态地监测

（1）组织和细胞中荧光标记的分子和结构的检测：

利用激光点扫描成像，形成所谓的“光学切片”，进而可以利用沿纵轴上移动标本进行多个光学切片的叠加形成组织或细胞中荧光标记结构的总体图像，因此可以用于观察切片和一些表面不平的标本，特别是研究具有长突起的神经元时更有使用价值。同时可以做三维图像重建和标记强度的半定量分析。

（2）定量或半定量测量Ca2+和pH等细胞内离子浓度及变化：

激光扫描共聚焦显微镜可以提供更好的亚细胞结构中钙离子浓度动态变化的图像，这对于研究钙等离子细胞内动力学有意义。最好与电生理等技术相结合来观察离子变化与电生理学指标的相关性。