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氧化石墨烯及四氧化三铁纳米粒子的制备及生物应用

高原  
【摘要】:氧化石墨烯(GO)是一种新型二维碳材料,它是由单层的sp~2碳原子网格构成。众所周知,芳香族化合物容易与GO的六边形晶格发生π–π相互作用,从而吸附到GO表面。由于核酸碱基中也具有环状结构,所以单链DNA能够通过π–π相互作用吸附到GO的表面。然而GO不能稳定吸附双链DNA,因为双链DNA中带负电的磷酸盐骨架有效的屏蔽了其中的核酸碱基。可以利用GO的吸附性质,将GO应用于吸附剂、药物传输及生物传感等方面。Fe_3O_4磁性纳米粒子由于其具有磁性,所以在成像和分离技术中得到了广泛的应用。除了磁性,文献中还报道了Fe_3O_4磁性纳米粒子内在的催化活性,可以将其作为过氧化物酶的模拟物使用。若将两种新型的纳米材料结合使用,使它们的优点融为一体,就可以促进生物技术/生物医药的发展。本论文中,我们利用GO和Fe_3O_4磁性纳米粒子的特性,将其用于生物与医学领域。论文内容简要归纳如下: 论文第一章中,对石墨烯及磁性纳米粒子的性质、合成方法以及生物应用等方面进行了详细的介绍,并阐明了本文的研究意义和主要研究内容。 论文第二章中,将GO作为一种有效的吸附剂来吸附水溶液中的四环素类抗生素。我们绘制了GO对四环素的等温吸附曲线,该曲线很好地符合了Langmuir和Temkin方程。由此我们推断四环素类抗生素由于其结构特点会通过π–π堆积及阳离子–π键吸附在GO表面。从Langmuir方程中可以推算出GO对四环素的理论最大吸附能力为313mg g~(-1)。通过吸附动力学分析,发现GO对四环素的吸附过程完全符合准二阶动力学模型。相对于其他多数吸附剂,GO具有更高的吸附速率常数。GO对四环素的吸附能力随着pH值或Na~+浓度的增大而显著降低。本章中还讨论并对比了GO对其他四环素类抗生素的等温吸附曲线。 论文第三章中,设计了一种基于GO的分子信标式探针,并将其用于生物硫醇的定量分析,建立了一种新的检测生物硫醇的荧光方法。这种基于GO的分子信标式的探针由FITC标记的富含胸腺嘧啶的单链DNA、GO及Hg~(2+)构成。在Hg~(2+)存在的条件下,富含胸腺嘧啶(T)的单链DNA可以通过自身T-Hg2+-T错配,形成双链结构,从而避免了GO的吸附,使体系具有荧光。当引入谷胱甘肽或半胱氨酸等生物硫醇时,由于硫醇官能团能够与T-T错配竞争结合Hg~(2+),使双链DNA恢复成单链构型,造成体系的荧光猝灭。在此原理基础上,我们用该探针定量检测了谷胱甘肽及半胱氨酸。并将其应用于人血清及HepG2细胞提取液样品中谷胱甘肽含量的检测,获得满意结果。 论文第四章中,利用Fe_3O_4磁性纳米粒子的类过氧化物酶的性质,建立了一种检测过氧化氢和葡萄糖的荧光新方法。当有Fe_3O_4作为催化剂存在时,H_2O_2会分解成自由基,这种自由基能够更快更有效的猝灭CdTe量子点的荧光。在此基础之上,我们将该体系应用于葡萄糖的检测,首先葡萄糖在葡萄糖过氧化物酶的作用下产生H2O2,然后引入到Fe_3O_4-CdTe体系中,通过对过氧化氢含量的分析进一步检测葡萄糖含量。最后将该方法用于人血清样品中葡萄糖含量的检测,得到满意结果。 论文第五章中,主要介绍了一种新型的基于GO的磁性荧光多功能材料的制备及其作为纳米载体在药物传输中的应用。我们首先合成了氨基化的磁性荧光SiO_2微球,然后通过SiO2微球表面修饰的氨基与GO表面的羧基共价结合,合成一种具有磁性荧光的多功能GO复合材料。该复合物中,GO作为药物的装载平台;由磁性粒子为该复合物提供靶向动力;荧光信号用于细胞成像及示踪。并将该复合材料作为载体用于亲水性抗癌药物—阿霉素的药物传递研究。在人肝癌细胞HepG2的体外实验中,这种新型的磁性荧光多功能GO复合载药体系展示了极好的荧光标记作用及磁靶向运输的能力;在将其与HepG2细胞共同培养后展现了出色的药物缓控能力和癌症治疗作用。


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