| 新型多功能金纳米粒子比色传感器的快速分析体系研究 | |
| Alternative Title | 无 |
| 陈心悦 | |
| Thesis Advisor | 师彦平 ; 哈伟 |
| 2019-05-27 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 理学博士 |
| Degree Discipline | 分析化学 |
| Keyword | 金纳米粒子 比色检测 空间位阻 定向聚集 Gold nanoparticle sensor Colorimetric detection Steric hindrance Oriented aggregation |
| Abstract | 金纳米粒子（Goldnanoparticles,AuNPs）是微观结构中至少一个维度尺寸处于1~100nm的金纳米材料，其具有特殊的表面等离子体共振效应、荧光性质、吸附性质、电化学性质和催化性质等，在光学、电磁学、材料学和生物医学等领域应用广泛。AuNPs的形貌多种多样，主要包括棒状、球状、壳状、笼状、多面体状、星状、双锥状等，可通过化学还原法、晶种生长法、模板刻蚀法、两相转移法和微乳法等技术制备。AuNPs的表面等离子体共振效应可吸收不同波长的光并使AuNPs溶液颜色发生改变，AuNPs作为一类性能优越的比色传感器已被广泛应用于目标物的比色检测。利用静电相互作用或Au-S/Au-N的共价键在AuNPs比色传感器表面修饰识别基团后，可将其应用于金属离子、化学小分子、手性分子、生物大分子（DNA、RNA、抗原抗体、蛋白质、酶）等活性物质的比色检测中。 在传统的基于AuNPs的比色分析体系中，识别基团往往以表面全修饰的方法对AuNPs进行功能化改性，这种方法操作简单、反应灵敏，但是容易形成大规模团聚体而在溶液中沉降，导致溶液颜色变化不稳定，线性范围窄。同时这种时间依赖性强的AuNPs对外界环境的抗干扰能力弱，不利于准确定量目标物。针对上述问题，考虑对AuNPs表面采取特殊的功能化改性方式来改变其团聚方式同时提高抗干扰能力。本论文创新性地设计了稳定剂聚乙二醇（PEG）及识别基团不对称修饰的“两面神”型金纳米粒子比色传感器（JanusAuNPs）。增加AuNPs尺寸是提高比色方法灵敏度的有效策略，但大尺寸AuNPs在水溶液中不稳定，容易团聚并在溶液中沉降。本论文通过引入惰性空间位阻基团PEG在AuNPs传感器非识别区域构筑一层空间位阻屏蔽层，从而在提高灵敏度同时保证粒子的稳定性。有限区域的识别基团促使粒子以定向可控的方式聚集，形成的寡聚体稳定存在于溶液中，使溶液颜色稳定变化，拓宽了检测的线性范围。惰性的空间位阻屏蔽层的存在避免了实际样品中非目标成分与JanusAuNPs相互作用对方法的干扰，提高了实际样品检测的灵敏度及准确性。我们首先利用高价金属离子与粒子表面识别基团柠檬酸根的交联作用将该类JanusAuNPs应用于饮用水中金属离子（铝离子Al3+）的比色检测，发现与常规AuNPs相比，检出限低，线性范围宽；然后将JanusAuNPs应用于较复杂的生牛乳样本中化学小分子物质（三聚氰胺）的比色检测，利用三聚氰胺之间的交联作用拉近粒子间距离，同样得到检出限低、线性范围宽的比色结果；接下来进一步将JanusAuNPs应用于复杂的大鼠脑脊液中生物分子天冬氨酸的比色检测，利用识别基团与天冬氨酸之间的氢键作用使粒子发生团聚。结果表明不对称修饰的PEG在复杂的生物体系中具有良好的抗干扰作用，可极大拓宽检测的线性范围，进一步验证了我们的设想。最后我们尝试将JanusAuNPs应用于酪氨酸对映体的比色检测中，在实验探索过程中，通过调整实验方案，同样利用PEG空间位阻的优势，制备了PEG及手性识别基团共同修饰的AuNPs比色传感器。通过调整粒径大小、反应体系pH值等，实现了酪氨酸对映体准确、灵敏、稳定的检测。论文具体内容如下： （1）“两面神”型金纳米粒子比色传感器的制备 制备惰性基团PEG和柠檬酸根不对称修饰的JanusAuNPs比色传感器。首先通过柠檬酸钠还原氯金酸的方法制备了表面修饰有柠檬酸根负电荷的AuNPs。然后将作为载体的固态基底在“食人鱼”溶液中进行活化，利用硅烷化反应在固态基底表面修饰正电荷。再通过静电相互作用将表面带负电荷的AuNPs吸附于固态基底上，利用固态“graftingto”策略在未与固态基底接触的AuNPs表面区域通过Au-S键合作用修饰PEG基团。通过超声作用从固态基底表面剥离后，即制备得到PEG和柠檬酸根不对称修饰的JanusAuNPs。 （2）基于“两面神”型金纳米粒子比色检测水中铝离子及生牛乳中三聚氰胺 柠檬酸根与Al3+之间简单的螯合作用可以促使粒子发生团聚，因此我们最初尝试将PEG和柠檬酸钠不对称修饰的大尺寸JanusAuNPs应用于Al3+的比色检测中，实现了高效、准确、稳定的检测。首先制备了不同粒径的柠檬酸钠修饰AuNPs（13nm、26nm、38nm），并将其直接用于检测Al3+。结果表明，增大粒径可显著提高检测的灵敏度，其中38nmAuNPs裸眼检测Al3+的检出限可低至1μM；随后，将38nm柠檬酸钠修饰的AuNPs负载于活化的载玻片上，利用“graftingto”策略构建了PEG不对称修饰的AuNPs检测体系。通过激光动态散射仪、透射/扫描电镜、能谱仪对从玻片表面剥离得到的JanusAuNPs表面结构进行了详细表征。将得到的JanusAuNPs与传统柠檬酸钠修饰AuNPs进行Al3+检测效果比较，结果表明，在JanusAuNPs体系中加入Al3+可诱导粒子以定向可控的方式聚集，形成的寡聚体在溶液中稳定存在，颜色稳定变化。此体系响应信号与Al3+在1μM~100mM浓度范围内呈现良好的线性关系，线性方程为y=0.06485x+0.60851（R2=0.98）。将JanusAuNPs应用于多种金属离子的比色检测，发现在同等低浓度条件下，该传感体系对Al3+具有良好的选择性。同时，利用PEG层的空间位阻作用可有效排除饮用水中大部分干扰物质，使其可直接应用于饮用水中Al3+的检测。 三聚氰胺结构中的氨基可通过Au-N键取代AuNPs表面的柠檬酸根从而使三聚氰胺结合在粒子表面，降低了AuNPs之间的静电斥力。同时三聚氰胺结构中氨基之间、氨基与环上的氮原子之间又可通过氢键作用相互交联，这两方面的作用力促使AuNPs发生团聚。JanusAuNPs表面修饰的惰性PEG层具有空间位阻效应，可有效排除外界环境的干扰。鉴于此，本文进一步将JanusAuNPs应用于较复杂的生牛乳样品中三聚氰胺的比色检测。实验结果表明增大AuNPs粒子尺寸后（从13nm增大至42nm），三聚氰胺检出限可由1μM下降至1nM。随后将三聚氰胺加入到制备的42nmJanusAuNPs体系中，溶液颜色呈现从紫色到蓝色的变化，由于粒子以定向可控的方式聚集，溶液颜色变化较传统AuNPs比色传感器更为稳定。同时紫外吸收光谱结果显示，吸光度比值在较宽的动态检测范围内（1nM~1mM）呈线性变化，比传统AuNPs的检测范围拓宽了2个数量级。利用惰性PEG层的空间位阻效应，JanusAuNPs可成功应用于简单预处理后的生牛乳中三聚氰胺的检测。得到线性回归方程为y=0.0017x+0.5542（R2=0.98），利用不同浓度三聚氰胺得到加标回收率范围99.6%~103.7%，RSDs约为3.0%，说明JanusAuNPs比色检测方法准确可靠。 （3）基于“两面神”型金纳米粒子比色检测大鼠脑脊液中天冬氨酸 上述实验中已成功将PEG和柠檬酸根不对称修饰的JanusAuNPs应用于饮用水和生牛乳体系的检测中。与传统的基于AuNPs的比色体系相比，JanusAuNPs展现出优异的抗干扰能力，接下来进一步分析了更为复杂的生物样本体系。半胱氨酸的氨基基团与天冬氨酸的羧酸根基团可以通过氢键作用产生特异性交联反应，同时半胱氨酸含有巯基基团，可利用Au-S相互作用键合在AuNPs表面。因此本文进一步利用“ligandexchange”技术将JanusAuNPs表面的柠檬酸根置换为半胱氨酸，制备了PEG和半胱氨酸不对称修饰的JanusAuNPs，并将其应用于大鼠脑脊液中天冬氨酸的比色检测。半胱氨酸与天冬氨酸的特异性交联作用可促使JanusAuNPs团聚，形成二聚、三聚体等寡聚体并稳定存在于溶液中。这种团聚方式可显著改善粒子的长期稳定性，并具有较宽的动态检测范围（1.8nM~180μM），与传统AuNPs相比，动态响应范围可拓宽至少两个数量级。同样通过增大粒子尺寸有效提高了方法检出限（由18μM降低至1.8nM）。大鼠脑脊液中含有大量的神经递质、蛋白质和激素等干扰物质，利用JanusAuNPs中大量PEG链的空间位阻效应，可有效排除非目标物质的干扰，实现对大鼠脑脊液中天冬氨酸的直接、准确、定量检测。得到的线性回归方程为y=0.0012x+0.254（R2=0.98），测得大鼠脑脊液中天冬氨酸含量为33.9±1.3μM，加标回收率为86.5±7.5%，符合生物样本的检测标准。 （4）聚乙二醇及N-乙酰基-L-半胱氨酸共同修饰的金纳米粒子比色区分、检测酪氨酸对映体 在硼氢化钠还原氯金酸的过程中，同时加入手性识别剂N-乙酰基-L-半胱氨酸（N-Acetyl-L-cysteine,NALC）和PEG，得到两种基团共同修饰的AuNPs比色传感器（PEG/NALC-AuNPs）用于手性识别酪氨酸（Tyr）对映异构体。在L-Tyr存在下，PEG/NALC-AuNPs溶液颜色由粉红色变为灰色，而引入D-Tyr后，溶液颜色无明显变化。结合计算机辅助化学分子模型首次阐明了手性识别剂NALC和Tyr对映体之间的手性识别机理。NALC通过氢键作用及空间匹配效应产生特异性交联反应，使粒子聚集而实现比色检测。实验过程中首次探讨了粒径和pH值对比色传感器手性识别行为的影响。PEG的空间位阻效应排除了溶液中电荷及大部分非目标物质的干扰，通过控制PEG/NALC-AuNPs比色传感器的粒径大小及pH值，在酸性条件下实现了对L-Tyr的高灵敏度检测。与传统NALC-AuNPs相比，其检出限降低了50倍，且动态响应范围拓宽至500nM~100μM，可在较宽的线性范围内实现对目标物灵敏、准确、稳定的检测，并可成功应用于血清样本及尿液样本中L-Tyr的检测。 |
| Other Abstract | 无 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/26340 |
| Collection | 中科院西北特色植物资源化学重点实验室/甘肃省天然药物重点实验室 中国科学院兰州化学物理研究所 |
| Affiliation | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 陈心悦. 新型多功能金纳米粒子比色传感器的快速分析体系研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2019. |
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