蛋白質(zhì)-金屬納米粒子

1、蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)—金屬納米粒子體系熒光增強效應(yīng)及其分析應(yīng)用金屬納米粒子體系熒光增強效應(yīng)及其分析應(yīng)用摘要：近年來，隨著納米科技的興起，金屬納米粒子以其獨特的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)、良好的穩(wěn)定性、小尺寸和表面效應(yīng)以及獨特的生物親和性，使其在醫(yī)藥、衛(wèi)生分析以及生化免疫等領(lǐng)域顯示了潛在的價值，引起廣大科技工作者的興趣。金屬納米粒子獨特的表面效應(yīng)是其具有優(yōu)良性能以及與其他材料復(fù)合時表現(xiàn)出來的獨特性能的關(guān)鍵。金屬納米微粒的粒徑、形狀以及排列情況與其紫外一可見吸

2、收光譜、表面增強拉曼散射(SERS)光譜、共振散射光譜以及熒光光譜之間有強烈的依賴關(guān)系。金屬納米顆粒與熒光分子直接結(jié)合或經(jīng)修飾后連接，可以改變熒光體系的紫外可見吸收光譜、增強表面拉曼散射光譜和共振散射光譜，對熒光光譜的影響隨金屬納米顆粒的種類以及熒光分子的種類不同可產(chǎn)生猝滅作用也可產(chǎn)生增強作用。本論文以分析化學(xué)、生物化學(xué)以及材料化學(xué)為研究背景，結(jié)合納米科學(xué)技術(shù)手段，并利用熒光光譜、吸收光譜、光散射光譜、園二色譜、透射電子顯微鏡和高分辨透

3、射電子顯微鏡、熒光壽命以及Zeta電位等測定技術(shù)，研究了各種蛋白質(zhì)對各種金屬納米熒光體系的熒光增強作用，探討了蛋白質(zhì)與金屬納米粒子結(jié)合及其熒光增強作用的機理，建立了利用金屬納米粒子作為熒光探針來測定微量蛋白質(zhì)的分析方法。論文的第一章闡述了金屬納米顆粒的制備方法、金屬納米顆粒的應(yīng)用、研究進展以及發(fā)展趨勢。共引用文獻191篇。論文的第二章研究了蛋白質(zhì)對金納米顆粒近紅外熒光的增強效應(yīng)及其分析應(yīng)用。利用液相還原法制備了不同大小的金納米顆粒。吸收

4、光譜研究指出，大顆粒膠體金只在250nm處有吸收，隨膠體金粒徑減小至21nm，在525nm處出現(xiàn)新的吸收峰，且其強度隨納米顆粒的減小而增強，并伴有吸收峰的蘭移。研究發(fā)現(xiàn)，15nm的金納米顆粒能夠發(fā)射近紅外熒光，其激發(fā)和發(fā)射峰分別為538nm和811.2nm。同時還發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)能夠明顯增強金納米近紅外熒光強度，并研究了影響熒光增強效應(yīng)的各種因素。實驗指出，在最佳實驗條件下(即15nm的納米金顆粒，pH7.0時)，蛋白質(zhì)濃度在一定范圍內(nèi)與體

5、系的熒光強度呈線性關(guān)系，P450、BSA、HRP、和HSA的線性范圍分別是2.310~(7)1.010~(5)mol／L、2.010~(7)1.510~(5)mol／L、1.510~(7)1.510~(5)mol／L和1.510~(7)1.510~(5)mol／L，它們的檢出限分別達到2.410~(8)mol／L、2.210~(8)mol／L、2.010~(8)mol／L和2.010~(8)mol／L，可見該方法具有較高的靈敏度。該方法

6、已用于實際樣品的分析，其結(jié)果令人滿意。本文以BSA蛋白質(zhì)金納米熒光體系為代表，利用Zeta電位、熒光壽命、TEM電鏡、吸收光譜、共振散射光譜、園二色譜以及熒光光譜等技術(shù)，研究了體系中蛋白質(zhì)與金納米顆粒間的相互作用和蛋白質(zhì)對金納米顆粒近紅外熒光的增強機理。研究表明，金納米顆粒表面荷負電，能與蛋白質(zhì)結(jié)合。認為膠體金以蛋白質(zhì)為模板能夠在其表面發(fā)生聚集，金納米體系按一定的規(guī)律定向排列，納米粒子聚集后間距減小，導(dǎo)致表面等離子體傳播特性的改變以及局

7、域表面等離子體模式和表面等離子體模式的相互作用，這種相互作用受到外圍環(huán)境的介電特性的影響。同時，金屬粒子所產(chǎn)生的等離子體可以增強其表面周圍環(huán)境的電場，這種增強的電場可以和周圍環(huán)境發(fā)生相互作用，其表現(xiàn)為如吸收光譜蘭移等光譜特性的改變。這可能是使整個金標記蛋白體系熒光強度增強的部分原因。而蛋白質(zhì)為金納米顆粒提供的疏水性環(huán)境是熒光體系熒光增強的另一原因。論文的第三章研究了銪納米顆粒的制備、光譜性質(zhì)和蛋白質(zhì)對其熒光的增強效應(yīng)及其分析應(yīng)用。利用單

8、寧酸做還原劑，首次將金屬銪從它的硝酸鹽中還原出來，制成金屬銪納米顆粒。以硫辛酸做修飾劑，修飾銪納米顆粒，并與蛋白質(zhì)結(jié)合。比較修飾、結(jié)合蛋白質(zhì)前后納米顆粒的光學(xué)性質(zhì)的變化。研究指出，通過還原劑的不同用量可以控制生成的銪納米顆粒的大小，隨著還原劑單寧酸用量的逐漸減少，生成的銪納米顆粒直徑不斷增大。各種粒徑的銪納米顆究了金屬納米粒子與蛋白質(zhì)間的熒光增強作用。將前期工作中新發(fā)現(xiàn)的金納米顆粒近紅外熒光特性以及新納米材料金屬銪納米顆粒的熒光性質(zhì)與金

9、屬納米粒子表面熒光增強效應(yīng)結(jié)合起來，研究金屬納米顆粒與蛋白質(zhì)間的熒光增強效應(yīng)，為建立樣品用量少而靈敏的蛋白質(zhì)熒光分析方法奠定了基礎(chǔ)。本文將金屬(金、銪)納米顆粒及其標記物固定在石英玻璃表面上，不僅研究了金屬納米島膜表面對蛋白質(zhì)熒光的增強作用，而且研究了蛋白質(zhì)對金屬納米島膜熒光的增強作用。研究表明，P450能夠明顯增強金納米島膜的紫外熒光(λex=230nm，λem=400nm)和近紅外熒光(λex=538nm，λem=811.2nm)；

10、而膠原蛋白隔離的金納米島膜對BSA的熒光有大的增強作用。與金納米島膜相比，銪納米島膜表面的增強作用較差。由于固體支架的準確固定、石英片的材質(zhì)和厚度的均勻成度等因素都對金屬納米島膜定量分析的準確度產(chǎn)生影響，所以，該方法還存在實驗操作中的具體問題，有待于進一步研究。機理研究表明，首先，蛋白質(zhì)與金納米顆粒結(jié)合后可以提供較強的疏水微環(huán)境，從而使體系熒光強度增強。另外，在金島膜的作用下，BSA中酪氨酸殘基的熒光得到了明顯的增強，并且已經(jīng)超過了色氨

11、酸殘基的同步熒光強度。這是因為低量子產(chǎn)率的酪氨酸殘基分子接近金島膜納米粒子后，熒光猝滅碰撞明顯減少，并且輻射速率比猝滅速率更快，從而導(dǎo)致了低量子產(chǎn)率熒光基團的熒光強度得到顯著增強。本論文的主要特點和創(chuàng)新點1研究發(fā)現(xiàn)，15nm左右的金納米顆粒能夠發(fā)射近紅外熒光，其激發(fā)和發(fā)射峰分別為538nm和811.2nm；隨著納米顆粒的減小，其熒光強度逐漸增強，且熒光峰位置不變；而蛋白質(zhì)能夠明顯增強該近紅外熒光強度。實驗表明，在最佳實驗條件下，體系的熒

12、光強度的增加值與蛋白質(zhì)濃度在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系。據(jù)此以金納米顆粒為熒光探針建立了蛋白質(zhì)近紅外熒光測定新方法。利用Zeta電位、TEM、吸收光譜、熒光光譜、共振散射光譜、圓二色譜和芘探針等技術(shù)研究了體系中蛋白質(zhì)與金納米顆粒間的相互作用，并提出了蛋白質(zhì)對金納米顆粒近紅外熒光的增強機理。2利用單寧酸做還原劑，首次制備了單一金屬銪納米顆粒，并研究了其光譜性質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，銪納米顆粒能夠發(fā)射紫外熒光，其激發(fā)和發(fā)射峰分別為275nm和380nm；隨

13、著納米顆粒的增大，其熒光強度逐漸增強，而熒光峰逐漸蘭移。可見，銪納米顆粒的這種熒光性質(zhì)的尺寸效應(yīng)明顯不同于貴金屬納米顆粒的熒光尺寸效應(yīng)。研究指出，在SDBS存在下，蛋白質(zhì)能夠明顯增強經(jīng)硫辛酸修飾的銪納米顆粒的熒光，且發(fā)射峰位置蘭移。在最佳實驗條件下，體系熒光強度的增加與蛋白質(zhì)濃度在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系。并以此建立了以銪納米顆粒作為熒光探針的蛋白質(zhì)新的測定方法。3利用單寧酸做還原劑，首次制備了單一金屬鋱納米顆粒，并研究了其光譜性質(zhì)。研究發(fā)

14、現(xiàn)，鋱納米顆粒能夠發(fā)射紫外熒光，其激發(fā)和發(fā)射峰分別為256nm和388.2nm；鋱納米顆粒越小，熒光強度越弱，但其熒光峰位置幾乎沒有變化。研究指出，在CTAB存在下，蛋白質(zhì)能夠明顯增強巰基丙酸修飾的鋱納米顆粒的熒光強度，且發(fā)射峰位置蘭移。在最佳實驗條件下，體系熒光強度的增加與蛋白質(zhì)濃度在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系。并以此建立了蛋白質(zhì)定新的熒光光度法。4本文利用Zeta電位、吸收光譜、共振光散射光譜、圓二色光譜和同步熒光光譜技術(shù)研究了蛋白質(zhì)分別

15、與銪、鋱納米顆粒間的相互作用和蛋白質(zhì)對納米顆粒熒光的增強機理。研究認為，銪和鋱納米顆粒分別通過硫辛酸和巰基丙酸與蛋白質(zhì)相結(jié)合并發(fā)生了能量轉(zhuǎn)移，即蛋白質(zhì)吸收的能量通過分子間能量轉(zhuǎn)移給銪和鋱納米顆粒，從而引起銪和鋱納米顆粒熒光的增強。表面活性劑SDBS和CTAB的加入能分別使銪和鋱納米顆粒體系的熒光強度增強，一方面是由于表面活性劑能分別參與兩個體系的能量轉(zhuǎn)移，另一方面表面活性劑和蛋白質(zhì)能提供疏水環(huán)境，使體系的熒光量子產(chǎn)率提高，導(dǎo)致兩體系的熒