基于丝蛋白结构的热点效应及其拉曼增强效果的研究

发布时间：2020-03-24 08:49

【摘要】：表面增强拉曼散射(SERS)可以克服传统拉曼光谱检测中散射光强度微弱,待测分子散射截面小,拉曼信号弱等缺点从而实现对低浓度分析物检测,甚至实现单分子检测。这一技术可在特定情境下利用金属颗粒表面等离子体共振效应,实现局域电磁场增强,并通过分子光谱中所独有的“指纹”信息从而客观反映分子微观结构特征。现如今,SERS技术在众多领域有广泛应用,但通常检测灵敏度受限。同时,SERS的基底材料还面临高生物毒性,复杂制备工艺,低检测极限,不稳定的理化性质等亟待解决的问题。纳米金颗粒对光子具有很强的吸收作用,可产生表面等离子体共振现象,因而应用在拉曼增强领域。丝素蛋白纳米纤维是一种线状蛋白质,能通过调节得到尺寸均一且稳定的一维线状态结构,同时,具有可调控的机械性能、生物相容性及降解性并易于功能化修饰。一直以来,利用丝蛋白和纳米金复合并制备基底材料用于表面增强拉曼散射研究较少,并且尚未有人明确的提出纳米金和丝蛋白合理的微观搭载方式,使得纳米金在复合体系中聚集同时仍能够产生高效的局域表面等离子体共振效应,从而赋予基底拉曼增强性能。因此,本实验用丝蛋白做模板调控金纳米颗粒的微观聚集体排列结构,并将复合材料应用于表面拉曼增强散射,此举对丝蛋白在生物纳米材料领域的应用具有重要意义。本论文所研究的具体内容如下:(1)实验制备了粒径约20-25nm的金颗粒,其表面带正电荷,通过静电作用吸附在带负电荷的丝蛋白纳米纤维两侧,其中,丝蛋白纳米纤维的三维尺寸为:长约1-2μm,宽20-30nm,厚约2nm。由于具有拉曼增强效果的纳米金颗粒对基底增强效果起决定性作用,因此,调控纳米金和丝蛋白的相对质量比,使得丝蛋白表面吸附的纳米金颗粒达到饱和,并通过观察复合材料的Zeta电位变化趋势,得到在丝蛋白表面吸附的纳米金颗粒达到饱和状态时两者相对比例为1:1。(2)实验中,通过AFM、SEM、TEM测试表征了丝素蛋白纳米纤维-纳米金复合材料在不同配比时的微观形貌。发现伴随着金颗粒含量的上升,丝蛋白纳米纤维两侧的金颗粒在吸附状态达到饱和的过程中逐渐出现有规律的交错搭载结构,金颗粒间形成大量“热点”缝隙,并从宏观整体角度观察,这一搭载模型类似于“三明治”结构,同时通过UV-vis证实吸附在丝蛋白纳米纤维表面的金颗粒在激光照射下能够产生表面等离子体共振现象,并以此作为实现拉曼增强的基础。(3)在对基底材料的拉曼测试中,探究了不同配比的丝素蛋白纳米纤维-纳米金复合基底的增强效果,实验发现:仅单颗粒的纳米金作用时,不能有效提升探针分子的拉曼信号,当体系内加入丝蛋白纳米纤维后形成“三明治”结构,正是由于这一特殊结构所带来“热点”的作用使得复合材料的拉曼增强性能不断提升。在本实验考察范围内,得到丝素蛋白纳米纤维与纳米金最佳配比为1:1,这与金颗粒吸附达到饱和状态时的比例相一致。之后以此为拉曼增强基底对三种探针分子进行测定,得到4-ATP探针分子检测极限可达10~(-13)M,R6G和NPT探针分子检测极限为10~(-9)M。因此本实验制备的增强基底材料不仅灵敏性高同时具有普适性。(4)最后,将饱和比例的复合材料携带4-ATP探针分子加入细胞体系,在细胞吞噬携带探针的材料后,利用拉曼mapping手段实现细胞的拉曼成像。通过CCK-8实验证明复合材料具有非常优异的生物相容性,即使携带一定量具有细胞毒性的探针分子仍不会对细胞活性产生影响。本研究制备的“三明治”结构的丝素蛋白纳米纤维-纳米金复合基底材料为后续制备更高效灵敏的拉曼增强基底做铺垫,同时也为肿瘤热疗,细胞状态实时监测,诊疗一体化应用的探索奠定基础。
【学位授予单位】：青岛科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1;O657.37

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