奈米金棒-雙性幾丁聚醣殼核結構表面電漿共振奈米感測元件:酸鹼選擇性、靈敏性提升與蛋白質吸附動力學分析

Abstract

奈米金棒(AuNR)具有特殊的表面電漿共振效應，其表面電漿對其表面的環境的變化相當敏感，故當待測物附著到金棒表面時會造成表面電子共振頻率改變，使奈米金棒的吸收峰產生位移，近年來被廣泛地運用於生醫感測的領域。一般奈米金棒生物感測元件之設計，是以生物辨識分子或是具有特定官能基之分子接植在奈米金棒表面，使奈米金棒具有測定特定代測物的功能性，此做法之缺點在於製程不易控制，且生物辨識分子或是具有特定官能基之分子價格昂貴，容易受到環境影響其性質，本研究以一種簡單之方法，來取代以往製程中較困難的步驟。以雙性幾丁聚醣(CHC)作為載體，將表面裸露的奈米金棒附著到CHC之奈米微胞上，使其成為殼層狀結構之蛋白質感測元件(AuNR-CHC)，此一設計的優勢在於奈米金棒可在表面失去界面活性劑的同時維持良好的分散性，而表面裸露的奈米金棒則會大幅提高感測靈敏度。雙性幾丁聚醣載體具有獨特之表面電位性質，故藉由調變溶液之pH值可操控此蛋白質感測元件的整體電位，使元件可以選擇性吸附不同的蛋白質，亦即藉由pH調控來達成感測選擇性的功能。 本研究以人體白蛋白(HSA)和溶菌酶(Lysozyme)建立模型，並以實驗證明此元件具有良好的靈敏性與選擇性。人體白蛋白在尿液中的濃度是用來判斷是腎臟與心血管疾病的重要指標，為了使元件能更貼近臨床應用的需求，我們將人體白蛋白在模擬尿液的環境中進行檢測，並調整雙性幾丁聚醣奈米載體上佈植的奈米金棒數量，使元件的可檢測更小的濃度，檢測的最低極限濃度可達1.5pM，且檢測可在15分鐘內完成，此蛋白質感測元件之檢測極限極低，且不須修飾任何生物辨識分子，是一個極具潛力與價值的生物感測技術，未來可應用於食品安全、環境毒化物及重症早期檢測等領域。 奈米金棒(AuNR)具有特殊的表面電漿共振效應，其表面電漿對其表面的環境的變化相當敏感，故當待測物附著到金棒表面時會造成表面電子共振頻率改變，使奈米金棒的吸收峰產生位移，近年來被廣泛地運用於生醫感測的領域。一般奈米金棒生物感測元件之設計，是以生物辨識分子或是具有特定官能基之分子接植在奈米金棒表面，使奈米金棒具有測定特定代測物的功能性，此做法之缺點在於製程不易控制，且生物辨識分子或是具有特定官能基之分子價格昂貴，容易受到環境影響其性質，本研究以一種簡單之方法，來取代以往製程中較困難的步驟。以雙性幾丁聚醣(CHC)作為載體，將表面裸露的奈米金棒附著到CHC之奈米微胞上，使其成為殼層狀結構之蛋白質感測元件(AuNR-CHC)，此一設計的優勢在於奈米金棒可在表面失去界面活性劑的同時維持良好的分散性，而表面裸露的奈米金棒則會大幅提高感測靈敏度。雙性幾丁聚醣載體具有獨特之表面電位性質，故藉由調變溶液之pH值可操控此蛋白質感測元件的整體電位，使元件可以選擇性吸附不同的蛋白質，亦即藉由pH調控來達成感測選擇性的功能。 本研究以人體白蛋白(HSA)和溶菌酶(Lysozyme)建立模型，並以實驗證明此元件具有良好的靈敏性與選擇性。人體白蛋白在尿液中的濃度是用來判斷是腎臟與心血管疾病的重要指標，為了使元件能更貼近臨床應用的需求，我們將人體白蛋白在模擬尿液的環境中進行檢測，並調整雙性幾丁聚醣奈米載體上佈植的奈米金棒數量，使元件的可檢測更小的濃度，檢測的最低極限濃度可達1.5pM，且檢測可在15分鐘內完成，此蛋白質感測元件之檢測極限極低，且不須修飾任何生物辨識分子，是一個極具潛力與價值的生物感測技術，未來可應用於食品安全、環境毒化物及重症早期檢測等領域。

Early detection for various diseases is upmost important strategy for medical treatment. The specific DNA or proteins that come from diseased cells can be the marker to be detected for identifying the occurrence of specific diseases. In this study, we develop a collodial-type sensor utilized gold nanorods (AuNRs) for protein detection due to its unique localized surface plasmon resonance (LSPR) property. AuNRs were synthesized by the seed-mediate method with high yield. A novel core-shell nanoprobe sensor AuNR-CHC was synthesized by the self-assemble of AuNRs and carboxtmethyl-hexanoyl chitosan (CHC) nanoparticle upon electrostatic attraction. The nanocarrier of AuNR-CHC exhibited great stability in various buffer solution and remained well separated upon the addition of simulated urine. Different from the typical design of LSPR biosensor using antibody-antigen reaction for protein sensing, selectivity was achieved by controlling the electrostatic force between analyte and AuNR-CHC upon tuning solution pH values without applying any biorecogition element. The removal of surfactant CTAB produced bared-surface AuNR that were capable of detecting protein with high sensitivity in our simple experiential procedure. In this study, AuNR-CHC nanoprobe were proved to selectively detect Human serum albumin and Lysozyme, important indicators of kidney disease, with extremely low detection limit 1.5pM.