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生物材料/金属纳米复合结构的合成与性能研究

邵从英  
【摘要】:生物材料/金属纳米复合结构耦合了生物材料的特异性识别、传输、选择性催化等特性和金属纳米粒子独特的电学、光学、催化性能,是一种多功能材料,在传感、催化、生物标记、纳米线路、生物医学等诸多领域都有着广泛的应用。本论文工作不仅在已有制备方法的基础上深入研究了DNA/钯纳米复合结构的电催化性能,也发展了一种制备包埋在天然生物膜材料内的固态荧光金属纳米粒子的新方法。另外,还设计了一种可结合氯高铁血红素的裂分型G-四螺旋脱氧核酶,并通过特异性的DNA杂交过程实现了脱氧核酶过氧化活性的简易调控。具体内容如下: 1.以DNA为模板采用无电沉积技术原位构建了DNA/Pd纳米粒子修饰的玻碳电极表面。利用原子力显微镜(AFM)对所得修饰电极的表面形貌进行了观察与表征。利用循环伏安法(CV)详细研究了该修饰电极对溶解氧、过氧化氢、肼等物质的电催化性能。这种简捷、经济的制备高分散性与高催化活性钯纳米粒子的方法在燃料电池及电化学传感器方面将具有一定的应用前景。 2.鉴于目前合成荧光金纳米团簇的方法几乎都是在均相溶液中进行,为了拓展荧光金属纳米团簇的存在形式与应用范围,我们以天然的固态生物材料(蛋壳膜,ESM)为模板和还原剂合成了包埋在ESM内的高稳定性的红色荧光金纳米团簇(Au-ESM)。该合成方法简单、可靠、经济、环境友好。除了ESM,其它富含蛋白质的固态材料,如羽毛,蚕丝等也可以用来合成荧光金纳米团簇。此外,利用汞离子对所制备的Au-ESM膜的荧光有明显的猝灭作用,在未完全优化的条件下即可实现1μM汞离子的可视化检测,为以后Hg~(2+)试纸的研究提供了可能性。该荧光膜在极端环境下仍能保持稳定且对特定的金属离子有响应,在“隐形”书写或防伪方面有一定的应用价值。最重要的是这种新颖的合成方法还可应用于其它荧光或非荧光纳米材料的合成,且所得材料附着在固态模板上,方便回收和再利用。 3.在均相体系中以生物分子蛋白质为模板可以合成高质量的金纳米团簇,但该均相体系在其它金属的合成方面却仍未取得突破。在ESM这种新的合成技术的基础上,我们以ESM为模板,采用碱性条件下ESM还原、外加还原剂还原以及紫外光照等三种不同的还原方法分别成功制备出包埋在固态ESM内的荧光银纳米团簇(Ag-ESM)。这种合成技术对于荧光银纳米粒子的适用性,以及在银纳米粒子合成体系中还原方法的多样性(纳米金合成中只有碱性还原能得到有荧光的产物)值得进一步的研究。我们所合成的Ag-ESM固态膜可以发射红色到近红外波长的荧光,而且稳定性良好,在催化、传感、表面增强拉曼、表面荧光图案化等方面可能存在重要的应用。 4.设计了一种裂分型G-四螺旋(G-quadruplex)脱氧核酶,该脱氧核酶两末端各有一个半G-quadruplex,中间由一段可识别调控链的单链连接。在K~+存在时,末端两个半G-quadruplex可相互作用形成完整的G-quadruplex结构,并能够与氯高铁血红素( hemin )结合,形成具有过氧化酶活性的G-quadruplex/hemin复合物,可以利用该复合物对2,2’-azinobis(3-ethylbenzthiazoline)-6-sulfonic acid(ABTS)的催化氧化作用,借助紫外可见分光光度法监测复合物的过氧化酶活性。另外,通过完全互补的调控链与脱氧核酶中间的识别序列杂交,形成刚性的双链DNA,可抑制两个半G-quadruplex的结合,实现了G-quadruplex/hemin复合物过氧化酶活性的方便调控,而含有错配碱基的调控链则不能有效地控制该复合物的过氧化酶活性。因此,我们得到的这种裂分型G-四螺旋结构是一种非常有用的模块,可用来设计多种简单、经济、无需标记的传感器以检测感兴趣的环境或生物目标物。


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