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单壁碳纳米管在光学生物传感中的应用

张远馥  
【摘要】:近年来,随着纳米科学和纳米技术的发展,纳米材料已广泛应用于生物传感器领域。由石墨层卷曲而成的一维纳米材料——碳纳米管(carbon nanotubes,CNTs),既具有石墨的特性(如耐热、耐腐蚀和导电性),又具有纳米材料的特性(如比表面积大、化学活性高)。本论文着重对碳纳米管在光学生物传感中的应用进行了研究,探索出构建纳米光学生物传感器的一些新策略。 本论文共有七章。第一章为引言,在简要地介绍了纳米材料的相关研究背景的基础上,重点介绍了碳纳米管,并综述了碳纳米管在光学生物传感中的应用进展。 第二章为基于DNA酶(DNAzyme)的非标记荧光法的研究。DNAzyme是通过SELEX技术筛选得到的具有催化作用的单链DNA。G-四聚体(G-quadruplex)可与血红素(hemin)形成G-quadruplex-hemin DNAzyme,该复合物具有过氧化物酶的性质。它是一种新型的生物催化酶,具有高效的催化活性、特异的识别能力、良好的热稳定性、低廉的价格等特点。目前,在基于G-quadruplex-hemin DNAzyme的生物传感体系中,通常采用H202-ABTS比色法进行检测。虽然比色法具有简单、易操作等优点,但其灵敏度低、检出范围窄,从而限制了它的应用。本研究工作用荧光底物硫胺(VB1)代替ABTS,发现G-quadruplex-hemin DNAzyme可以催化H202-VB1反应,产生强荧光。并以凝血酶适配体(TBA)为分子识别物质,对凝血酶进行了测定。实验结果表明凝血酶的浓度在0.01-0.2 nM范围内,该体系的荧光强度的改变值(AF)与凝血酶的浓度(c)呈良好的线性关系,其线性回归方程为AF=8304.8c+98.9(c,nM) (r=0.9993,n=8)。对5.0×10-10mol L-1的凝血酶平行测定11次,相对标准偏差(RSD)为3.4%。本法的检出限为1 pM,与所报道的比色法相比,灵敏度提高了上万倍。由于在该体系中,适配体为识别分子,所以可通过设计不同的DNA分子序列,得到无需标记的分子探针,继而对其它物质进行检测。 第三章为单壁碳纳米管(SWNTs)降低G-quadruplex-based DNAzyme体系背景信号,提高检测灵敏度的研究。为了确保充分地形成G-quadruplex-hemin DNAzyme,一般加入过量的血红素,所以DNAzyme溶液中存在着大量的游离的血红素,这毫无疑问地引起了高的背景信号,不利于低浓度分析物的检测。本章向G-quadruplex-hemin DNAzyme体系中加入SWNTs,发现SWNTs可吸附游离的血红素,通过离心将其从DNAzyme溶液中分离,从而降低了该体系的背景信号。我们以K+适配体(AGRO100)为识别分子,利用该体系对K+进行了检测,其检出限为2 nM,与无碳纳米管时相比,灵敏度提高了10倍。这为我们提高方法的灵敏度提供了新的思路。 第四章为血红素-SWNTs纳米复合物的制备及其催化活性研究。在上一章,对血红素与SWNTs作用的研究过程中,我们发现离心下来的血红素-SWNTs固体具有优良的过氧化物酶催化活性,可催化TMB-H202的显色反应,且催化活性明显高于单独的血红素或SWNTs。我们对其催化性能进行了研究,并将此复合物与葡萄糖氧化酶连用测定了葡萄糖。结果表明葡萄糖的浓度在5-50μM范围内,体系的吸光度(A)与葡萄糖的浓度(c)呈良好的线性关系,其线性回归方程为A=3.5×10-4c+0.025(c,μM),相关系数为0.9996,检出限为2μM。对10μM的葡萄糖平行测定11次,相对标准偏差(RSD)为3%。这种纳米复合物与天然酶(辣根过氧化物酶)相比,具有稳定性强、价格低廉、可重复使用等优点,也因此具有广泛的应用前景。 第五章为纳米金粒子-SWNTs杂合体的的制备及其催化活性研究。本章以半胱胺为稳定剂,通过还原法制备了带正电荷的纳米金(AuNPs),继而与羧基化的SWNTs发生静电作用,一步合成了AuNPs-SWNTs纳米杂合体。在制备过程中发现SWNTs不仅起到基体的作用,而且可以控制纳米金的生长过程,从而我们合成了小粒径纳米金均匀分散的AuNPs-SWNTs杂合体。研究表明这种杂合体具有超强的过氧化物酶催化活性,可催化TMB-H2O2(?)勺显色反应,并以DNA为识别分子,基于这种杂合体与DNA的作用,检测了DNA杂交及可卡因。这种方法的建立拓展了AuNPs-SWNTs杂合体在生物传感中的应用。 第六章为基于碳纳米管荧光猝灭性能的均相多元荧光分析法的研究。本章以适配体为识别分子,结合碳纳米管的超级荧光猝灭性,设计了双色荧光探针。向荧光素(FAM)标记的凝血酶适配体(P1)和罗丹明(ROX)标记的ATP适配体(P5)的混合溶液中加入SWNTs后,FAM和ROX的荧光同时被猝灭。当有凝血酶存在时,凝血酶只与P1作用,形成G-四聚体结构,导致了FAM远离SWNTs,FAM的荧光强度明显增强,进而对凝血酶进行了测定,其检出限是1.5 nM。同理,加入ATP后,可以导致ROX的荧光恢复,进而也对ATP进行了测定,检出限为2.0 nM。该多元分析过程是在同一份溶液中完成的,无需分步操作。相对于传统的多组分检测方法,具有简单、廉价、无损伤、易操作等优点。 第七章为基于点击反应的纳米金比色法测定抗坏血酸。点击化学由美国化学家Sharpless提出的一种快速合成杂环化合物的新方法,在有机化学、材料学中已得到较为广泛的应用。快速、高效、高选择性特点使点击反应有望应用于分析化学中。本章以溴十一酸和NH2(CH2CH2O)2CH2CH2NH2为原料合成了HS(CH2)10CONH(CH2CH2O)2CH2CH2NHCOCH2N3和HS(CH2)10CONH(CH2CH2O)2-CH2CH2NHCOCCH,并将这两种分子通过金硫键自组装到金纳米粒子上(13 nm)。修饰后的纳米金具有良好的分散性,在520 nm处有一特征吸收峰,呈酒红色;在Cu2+存在下,向纳米金胶溶液中加入抗坏血酸时,叠氮化合物与炔基化合物发生1,3-偶极环加成点击化学反应,生成1,4-取代的1,2,3-三唑,从而拉近了邻近纳米金粒子间的距离,导致纳米金团聚,溶液由红色变为紫色。肉眼可观察到5μmol/L抗坏血酸,利用紫外-可见光度计可检测出3nM的抗坏血酸。本法具有很好的特异性,常见的一些有机化合物如葡萄糖、半胱氨酸、维生素B1等均不干扰测定。与国标法相比,本法无需依赖于大型仪器,是一种低成本、简便、快捷的检测方法,在食品化学、药物分析等众多领域中有良好的应用前景。


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