文摘

Nanobioconjugates使用碳纳米管(碳纳米管)有吸引力的和有前途的混合材料。使用问nanobioconjugates各种生物应用程序,例如,药物输送系统和nanobiosensors,许多作者提出的。扫描技术,如扫描电子显微镜(SEM)和扫描探针显微镜(SPM)有优势来问nanobioconjugates在各种条件下,例如,孤立的配合,在薄膜配合,配合在活细胞。在这篇文献回顾中,近300篇论文分类基于类型CNT的应用程序,以及各种扫描数据介绍了照亮扫描技术的优点。

1。介绍

1.1。Nanobioconjugate碳纳米管的应用

碳纳米管是有前途的纳米材料,不同寻常的结构和属性(1- - - - - -7]。的健壮且灵活结构碳纳米管可能允许制造各种nanoarchitectures。此外,碳纳米管的独特的电子和光学性质可能允许他们使用在各种应用程序中,如纳米传感器。

纳米技术的一个重要技术里程碑问是碳纳米管的分离。碳纳米管合成无定形碳的各种长度、直径和层数。后者包括单壁碳纳米管(纳米),双壁碳纳米管(DWNTs)和微纳米(MWNTs)。此外,碳纳米管可以生产各种手性。由于碳纳米管的物理化学性质变化根据这些因素,隔离single-chirality方法提出了碳纳米管(8- - - - - -13]。

在碳纳米管的各种可能的应用、生物应用程序是很重要的(14- - - - - -35]。生物应用程序需要可溶性碳纳米管;他们经常涉及到水的解决方案。“包装”技术是流行的方法溶解碳纳米管(23,26,36- - - - - -52]。当问粉添加到表面活性剂溶液其次是声波降解法、问包形式和每个bundle将成为包装与表面活性剂分子。除了表面活性剂,它被用来首先展示包装的可行性,其他各种有机分子包括DNA和蛋白质分子也被成功地用于包装碳纳米管(53- - - - - -67年]。优势的使用DNA分子已经被几个作者。例如,DNA和DNA序列和问具体相关纳米手性(66年]。作者建议(太极拳)10(TGA)10,(CCA)10有一个狂热的亲和力(9,1)纳米管。

扫描技术是一种强大的方法来描述碳纳米管的结构和物理化学性质和nanobioconjugates碳纳米管,如DNA杂交和碳纳米管(DNA-CNT混合动力车)。本文各种DNA-CNT和其他nanobioconjugates扫描研究碳纳米管的分类基于生物应用程序的类型。我们之前发表了一篇评论文章总结扫描探针显微镜(SPM) DNA-CNT混合动力车的研究(68年]。在这篇论文中,我们基于spm的类型分类的参考。在目前的审查,引用分类是基于研究的目标。本文还包括扫描电子显微镜(SEM)研究扫描技术提供一个全面的概述。扫描技术的优点在每个问应用程序突出显示。

2。扫描技术的优点在碳纳米管研究Nanobioconjugates

SPM和SEM是合理的方法描述nanobioconjugates与碳纳米管、透射电子显微镜(TEM)。在SPM技术、原子力显微镜(AFM)经常被用来获得问nanobioconjugates的地形信息。图1提供例子AFM的x射线物相照片DNA-SWNTs混合动力车在水溶液69年]。AFM成像可以清楚地揭示出棒状结构的碳纳米管没有复杂的样品准备工作。作者发现,观察混合动力车的高度波动根据环境条件。

(一)
(一)
(b)
(b)
图1
目的报道和Umemura AFM图像。(一)混合动力车ssDNA和纳米管。(b)混合动力车dsDNA和纳米管。观察进行了缓冲溶液(从目的和Umemura[转载69年与许可])。

图2显示扫描电镜图像并和DNA-SWNT配合报道尼泊尔et al。70年]。裸露的纳米管观察捆绑结构(图2(一个)),但个人包显然是解决。对于DNA-SWNT轭合物,单分散的纳米管也取得明显的成效。此外,MWNTs也扫描电镜观察到并与纳米管。长度分布分析确定,样品制备程序问长度的影响。TEM也被用于可视化问nanobioconjugates。一项研究将TEM AFM和SEM对类似的样品(71年]。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图2
SEM图像由尼泊尔et al。(a)纳米管的扫描电镜图像。(b和c) DNA-SWNTs的扫描电镜图像。(d)长度的分布DNA-SWNTs从尼泊尔et al。(转载70年与许可])。

薄或厚膜含有问nanobioconjugates流行的样品以及孤立的配合。主要研究了其表面形态扫描电镜(25,70年,72年- - - - - -82年])。扫描技术也被用来检查其他各种问nanobioconjugates结构(83年- - - - - -91年]。问nanobioconjugates也被验证使用能量色散x射线谱(EDS) [25,91年- - - - - -95年]。

一般描述,包括扫描技术的使用,是一个基本和CNT-related研究的重要方面。当碳纳米管的物隔离在平坦的表面,提供的优良的高分辨率SPM是一个很大的优势。当物的碳纳米管准备电影、SEM和SPM可以有选择地使用粗糙度的电影。

3所示。问Nanobioconjugates DNA传感器

虽然上述包装技术的目的之一是为了溶解碳纳米管,nanobiodevices包装结构也有潜在价值。本节描述了一些引人注目的扫描研究涉及DNA包装。

DNA研究碳纳米管的一个重要应用是不匹配的杂交检测DNA分子(96年- - - - - -99年]。一项研究报道MWNTs轭合物的制备,黄金纳米粒子(Au NPs)和聚(p氨基苯酸)(PABA)。轭合物沉淀后在玻碳电极(GCE)表面,单链DNA (ssDNA)被黄金一硫化物结合(附着在轭合物98年]。附件ssDNA和互补ssDNA之间杂交检测到微分脉冲伏安法。作者成功地检测三垒ssDNA并不般配。另一项研究来自同一研究小组扩展方法结合氧化锌纳米线(ZnONWs)与金纳米粒子和MWNTs成功地检测single-mismatched ssDNA [97年]。SEM是用来描述功能化GCE的表面。数据3(一个)- - - - - -3 (c)显示的扫描电镜图像MWNTs / GCE PABA / MWNTs / GCE,和非盟NPs / PABA / MWNTs / GCE,分别为(98年]。虽然表面条件不同的三个样品,表面结构以及扫描电镜的特征。特别是,分布的非盟NPs GCE显然是可视化。扫描电镜证实这些样本的有利,因为大景深。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图3
SEM图片报道王et al。(a) MWNTs / GCE。(b) PAbA / MWNTs / GCE。(c) Au纳米粒子/ PABA / MWNTs / GCE从王et al。(转载97年与许可])。

不匹配检测GCE也一直通过结合DNA, MWNTs, (Fe (CN)6]3−−/ 4(96年]。作者利用AFM功能化GCE表面(图的特点4)。


图4
AFM图像的表面功能化GCE DNA不匹配检测。(一)氧化光秃秃的全球教育运动。(b和d) DNA /氧化全球教育运动。(c) MWNTs / DNA /氧化全球教育运动。扫描尺寸:5×5μm (a)、(b)和(c), 1×1μm (d)(转载Shahrokhian et al。96年与许可])。

这是简单的把DNA分子问的表面。因此,碳纳米管可能被用作DNA传感器。当DNA杂交检测电CNT nanobioconjugates沉积在电极表面进行DNA检测。在许多情况下,电极表面不透明。因此,扫描技术具有明显的优势在TEM和通常的光学显微镜。与SEM图像相比,AFM的优点是使定量信息的高度。相反,当电极表面非常粗糙,SEM是首选。

其他的研究已经使用问nanobioconjugates光学检测DNA杂交。在这种情况下,孤立DNA-CNT悬浮,而不是电影在固体电极表面(One hundred.- - - - - -107年]。Single-mismatch检测也可以做光。碳纳米管的光学反应,如吸收和一代的光致发光光谱,可以用来检测DNA杂交。暂停DNA-CNT轭合物可以沉积在平面表面裂解云母等AFM观察。

在未来,直接检测的DNA与碳纳米管可能用扫描隧道显微镜(STM)。STM SPM-related技术,检测微小的电信号,如隧道电流,导电探针与样品表面,AFM检测力量一样探针和样品(108年,109年]。在这些电气和光学检测技术,丰富的碳纳米管进行DNA检测是必要的。然而,如果扫描隧道显微镜可以用于这个目的,一个问足以检测单个DNA分子。与单一DNA检测的DNA反应对与一个问一个DNA单分子传感器的梦想。

4所示。问Nanobioconjugates分子传感器

除了检测DNA杂交,问可以检测各种生物反应(94年,96年- - - - - -99年,110年- - - - - -133年])。一项研究描述了免疫传感器的制造使用碳纳米管(图5)[127年]。作者固定化MWNTs分散与聚(氯化diallydimethlammonium) (PDDA)一个非盟nanofilm电化学沉积在全球教育运动。DNA和硫堇功能化GCE上了。沉淀盟NPs硫堇表面后,甲胎蛋白(AFP)抗体NPs固定化。装配式GCE是用于电化学检测AFP使用一个法新社和法新社抗体之间的免疫反应。GCE表面的SEM观察每个功能化步骤有效验证他们的样本。


图5
免疫传感器的制造过程的图解视图报告跑et al。(A) Au纳米颗粒的沉积。(B) MWNTs-PDDA涂料层。(C)固定化DNA的电影。(D)硫堇层的形成。(E)金纳米粒子的组装。(F) Anti-AFP装载。(G) BSA阻止(转载了et al。127年与许可])。

在另一项研究中,一个乳酸生物传感器是由结合导电聚合物(poly-5 2 5 ,2 -ter-thiophene-3 羧基酸;pTTCA)和MWNTs拉赫曼et al。126年]。沉淀后pTTCA / MWNT电影金电极,乳酸脱氢酶和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD的氧化形式+)被固定在这部电影。SEM是用来描述功能化的表面。另一个最近的研究从同一实验室演示了尿酸的检测这功能化电极[94年]。

提出了一个独特的传感器应用的新方法(80年,124年]。作者把DNA-CNT两个盟电极之间的配合。自DNA碱基有特定的亲和力与离子,如Hg (II)、Cd (II),和Pb (II), nanodevice可以利用作为离子传感器。扫描电镜是一种合理的方法来描述他们的nanodevices结构。

碳纳米管的电子和光学响应的机制尚未完全了解。从各种生物分子实验数据建立问生物传感器应用程序很重要。在这种背景下,样品验证通过扫描技术显然是重要的和系统预计在类似的实验条件下的数据积累。当前的现实是,使用各种问粉进行研究。此外,碳纳米管具有相同产品编号从同一家公司购买可以显示成分差异很多。杂化纳米和生物分子之间还可以具有不同的研究人员。因此,获得的数据的直接比较不同的研究小组是很困难的。

5。Nanobioconjugates细胞研究

问nanobioconjugates研究活细胞的使用是越来越受欢迎([134年- - - - - -139年][28,85年,140年- - - - - -167年])。扫描技术是重要的和强大的工具验证样本。

其中一个重要的应用是CNT-mediated药(155年,161年,168年- - - - - -189年]。生物/ nanointerfaces的制造大肠杆菌和MWNTs被描述Suehiro et al。157年]。的独特方法,的混合物大肠杆菌两个微电极之间和可溶性MWNTs沉积。大肠杆菌被困在MWNTs介电泳力。SEM图像清晰的可视化之间的细菌困电极(图6)。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图6
扫描电镜的图像被困大肠杆菌细胞和两个微电极之间MWNTs DEP力量。(一)被困的细胞。被困MWNTs (b)。(c)细胞和MWNTs困。(d)细胞被困的尖端MWNTs(转载Suehiro et al。157年与许可])。

用于药物输送,它证明碳纳米管不是有毒是至关重要的。许多研究,利用扫描技术没有深入研究碳纳米管的毒性([135年,169年,190年- - - - - -215年]。使用扫描技术被证明是有利的毒性研究(85年,214年,216年- - - - - -219年]。作为一个例子,MWNTs对人肺上皮细胞的影响评估使用扫描电镜和其他评估显示MWNT-mediated细胞毒性和基因毒性135年]。

在另一项研究中,一个三维(3 d)脚手架使用MWNTs捏造的骨骼识别(159年]。MWNT网络准备与聚丙烯腈(PAN)其次是加法和混合的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球制造PMAA的微孔结构,锅,MWNTs。图7扫描电镜和荧光显微镜图像显示MC3T3-E1细胞已经扩散的装配式结构。数据7(一),7(c)7(e)是IP-CHA的图像,建立商业产品用作控制。数据7(b),7(d)7(f)描述类似的实验的结果与上述CNTp纳米多孔支架。SEM清楚地揭示了依从性的细胞支架表面。作者描述的优点CNTp支架根据不同的表征实验。


图7
扫描电镜和荧光显微镜图像MC3T3-E1细胞IP-CHA和CNTp支架。(a, c, e) IP-CHA。(b、d和f) CNTp。(a, b, c, d) IP-CHA和(b和d) CNTp。放大:2000 x (a和c), 20000 x (c和d)。(e和f)细胞被标记为肌动蛋白细丝(红色)和核(蓝色)(转载田中et al。159年与许可])。

在细胞的研究中,微尺度高程变化的预期。特别是,当细胞与问nanobioconjugates混合,杂化对象的高度可以超过20微米。SEM已经被证明是有效的辨别这个地形。然而,SEM观察活细胞的行为和碳纳米管是困难的因为考试通常是在真空中进行。虽然环境和大气压力sem是可用的,有各种各样的限制其使用。预计SPM很快就会顺从的延时与问nanobioconjugates观察活细胞。然后,光学显微镜将真正有竞争力的观察工具。

6。问Nanobioconjugates探针一样锋利

小直径的碳纳米管可以适合他们使用探针一样锋利。使用碳纳米管SPM探针是扫描应用程序的一个重要136年,220年- - - - - -230年]。

改善AFM分辨率使用问技巧是最典型的方法。在许多应用程序中,一个问连着的顶部通常AFM小费。在一项研究中,一个MWNT提示使用AFM和扫描隧道显微镜(STM) (220年]。Hafner等人证明了MWNT在SPM的直接增长技巧(221年]。史蒂文斯等人应用了MWNT AFM观察2 nm直径铱粒子在云母表面在水解决方案(225年]。

另一个重要的应用是利用碳纳米管作为活细胞的“注射器”。附件货物的药物输送提出了通过二硫键(136年]。作者捏造一个使用SEM和AFM提示MWNT的操纵者。然后,混合动力车的量子点(QD)和链霉亲和素连接在MWNT表面使用含有二硫键的交联剂。功能化AFM的小费是注入海拉细胞在AFM的指导下,和QD自发释放。

各种使用的碳纳米管作为一个锋利的SPM探针可以设想。单细胞手术使用药问探测器的使用。诱导多能干细胞是否可以成功地使用这种方法,这将是一个从根本上重要的医学进步。这样的应用程序需求建立的大规模生产的SPM探针问小费。问目前手工技巧。因此,就目前而言,巨大的实验数据的积累是很困难的。

7所示。描述问Nanobioconjugates通过扫描技术

电气性能的碳纳米管由于其手性定义。扫描隧道显微镜是一种强大的工具来调查个人碳纳米管的电学性能(231年- - - - - -234年]。在一项研究中,混合动力车的DNA和MWNTs观察扫描隧道显微镜和扫描隧道谱(STS)概要文件附件的影响DNA分子MWNTs (231年]。STS的纳米包装ssDNA可以影响DNA序列(234年]。提出了一个理论模型来解释实验STM和STS的结果(233年]。

另一个扫描技术研究电性质的问nanobioconjugates导电AFM [235年- - - - - -237年]。在一项研究中,分子的交通枢纽(mtj)是捏造的。两个金属纳米包装与DNA分子与p-phenylenediamine(产后抑郁症),和抵抗mtj被导电AFM测量(图8)[237年]。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图8
导电的AFM图像代表MTJ形成使用产后抑郁症作为分子链接器和界面的宏观金属电极。(b)代表在选择记录电流-电压曲线点在MTJ:红线为测量接近测量宏观电极和蓝线的另一端从宏观电极。(c)阶段的AFM图像MTJ (a)所示。(d)的示意图表示导电AFM测量MTJ(转载从朱et al。237年与许可])。

碳纳米管的电学性能可以使用两种方法进行了研究。碳纳米管的电学性能的精确评估可以在真空中完成。相反,生物应用,试验应在液体或空气/气体。在这些情况下,水和其他分子强烈影响的数据。一些研究人员专注于水分子的物理化学性质的影响碳纳米管(238年- - - - - -240年]。如果样品包括离子和其他化学物质,通常用于生物实验中,可以显著影响更加复杂。

8。AFM研究的结构和力学性能

AFM是最方便的SPM问nanobioconjugates的标准特征。许多研究人员观察到三维结构的碳纳米管通过AFM、和各种不同的长度和宽度问nanobioconjugates已报告(69年,241年- - - - - -252年]。生化反应,比如问表面蛋白质和DNA分子之间的相互作用,研究了AFM和其他扫描技术(232年,245年,253年- - - - - -264年]。

一个令人印象深刻的结构性研究使用各种描述AFM ssDNA问表面分子(264年]。使用相位成像模式,作者发现,d (GT)的螺旋节距30.大约是18海里。

在另一项研究中,肽核酸(机构,在北半球2-Glu-GTGCTCATGGTG-CONH2)是捏造的,连接到机构的单独的纳米管。当ssDNA分子与DNA互补序列的部分机构反应,互补DNA分子贪婪地认识到DNA区域。杂交是清楚地证实了AFM观察(图9)[263年]。


图9
附加纳米管和DNA杂交的机构。(a和b)机构与N-hydroxysuccinimide附着在碳纳米管的结束(NHS)酯。碳纳米管(c)的DNA杂交附加机构。(d和e) PNA-SWNTs的AFM图像。亮线表明纳米管。苍白的DNA链代表绑定。酒吧是100海里。纳米管的直径分别为0.9和1.6 nm (d)和(e),分别从威廉姆斯et al。(转载263年与许可])。

使用AFM力光谱学是一个独特的方法来直接测量有机分子和碳纳米管之间的相互作用232年,265年,266年]。在一项研究中,一个DNA分子插入到光滑的内孔碳纳米管,然后收回来测量DNA之间的摩擦力和问265年]。DNA提取问毛孔几乎发生在恒力。在另一项研究中,一个DNA分子是去皮单壁碳纳米管的表面232年]。ssDNA的剥离力并远远大于从平坦的石墨。最近的一项研究提供了动态的观察问nanobioconjugates使用高速AFM [267年]。

虽然有许多SPM研究提供常规的AFM照片问nanobioconjugates, SPM的特定功能的使用,如力测量,已非常有限。未来的研究将希望利用SPM功能研究问nanobioconjugates曲目。例如,各种类型的部队,包括摩擦,静电,声,和磁力,可以通过特定的AFM选项。典型的SPM选项包括扫描近场光学显微镜,扫描热显微镜,扫描电化学显微镜,扫描开尔文探针力显微镜,扫描化学势显微镜,扫描离子电导显微镜,扫描电容显微术。

9。操纵问Nanobioconjugates通过扫描技术

操纵碳纳米管通过SEM是一个流行的工具。附件的碳纳米管在SPM探针通常是这样进行136年,220年- - - - - -222年,224年- - - - - -230年]。在一项研究中,单问两个AFM探针进行扫描电镜观察(230年]。然后,两个AFM提示分离直接测量CNT的破坏力量。作者估计,破断力为1.3μN。

AFM有利于操纵问nanobioconjugates在空气或液体。“拖”的AFM纳米尖端。碳纳米管被扭曲和操纵消化AFM提示(268年]。其他作者提出的DNA载体使用基于分子动力学计算的碳纳米管(269年]。在他们的提议,DNA分子插入到碳纳米管的内部毛孔可以感动问操作使用AFM小费。

单细胞手术是前面提到的潜力。同样,手术单分子与碳纳米管使用nanobioconjugates操纵技术也是一个具有挑战性的研究目标。单分子手术CNT的nanobioconjugates可能意识到单一的问nanobioconjugates SPM探针。

碳纳米管独特的光学特性之一是光致发光(PL)碳纳米管。例如,伊藤等人结合PL测量和扫描电镜观察270年]。当(9,4)纳米管兴奋激光波长为730纳米,纳米管的photoluminesce 1130海里。激发和发射波长变化与不同的手性碳纳米管。此外,发射波长和PL强度波动在一个敏感的氧化/还原反应和其他因素。通过使用PL测量,问nanobioconjugates的各种应用,如nanobiosensors,是可用的。PL的测量,可以获得“PL地图”。通常,x- - -y设在PL地图的发射和激发波长,分别。尽管SEM和SPM空间扫描样品表面,PL显示波长扫描。PL测量由多种问nanobioconjugates扫描技术将提供丰富的信息。

在最近的一项研究中,AFM红外光谱被用来研究碳纳米管的形态和光学性质(271年]。这个新的扫描技术提供了问nanobioconjugates的空间信息。

映射技术,如PL映射和扫描技术,独立SPM和SEM等,已经使用在不同的研究领域。然而,问nanobioconjugates研究,我们认为,两种技术的结合使用将是一个发现的福音。特别是,理解机制的几个独特的碳纳米管的反应,合并后的结构和物理化学信息是有价值的。

11。结论

本文的贡献扫描技术研究问nanobioconjugates已经总结和未来前景进行了讨论。研究对象分类基于问应用程序而不是类型的扫描方法。此外,结合映射技术的可能性和扫描技术也被描述。我们希望这个评论文章告诉未来的研究在这个领域。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。