氧化石墨烯量子点纳米复合材料的制备及其在生化分析中的应用研究

发布时间：2020-06-01 04:32

【摘要】：氧化石墨烯量子点(GOQDs)是一种以碳为基础的层状纳米材料。由于其具有优异的光学特征、分散性好、较强的生物相容性、制备过程环保、毒性低、表面含有丰富的含氧官能团,易于修饰,而被广泛的用于生物成像、发光领域以及环境领域。然而将其作为荧光探针应用于生物检测仍处于起步阶段。本论文通过将氧化石墨烯量子点(GOQDs)与具有选择性的生物大分子(核酸适配体、单链DNA结合蛋白、单链DNA)进行偶联,提高了GOQDs荧光探针的选择性。依据加入相应的猝灭剂和目标检测物后,探针荧光强度的不同变化,实现了对人类健康和生态平衡至关重要的抗生素:磺胺二甲嘧啶(SMZ)、卡那霉素(KAN)以及转基因生物的标记性序列(NOSt)基因序列的特异性检测。主要研究内容如下:(1)氧化石墨烯量子点(GOQDs)偶联核酸适配体(apt)形成一种新型的荧光探针(GOQDs@apt)。将此荧光探针作为信号源,氧化石墨烯(GO)作为猝灭剂,制成荧光开关,实现了对磺胺二甲嘧啶(SMZ)的灵敏性检测。检测机理基于:体系中没有加入SMZ时,由于适配体与GO之间存在很强的π-π作用力,使得GOQDs@apt吸附在GO表面从而猝灭GOQDs@apt的荧光;加入SMZ时,核酸适配体优先结合SMZ而处于折叠状态,隐藏了可以结合GO的氢键,使得GOQDs@apt从GO表面释放,GOQDs@apt的荧光恢复,而且荧光恢复的程度与SMZ的加入量呈显著的正相关。据此实现对SMZ的痕量检测,线性范围为:0.008 60 ng/mL,检出限为:0.005 ng/mL。该方法具有较高的选择性、抗干扰性,可以很好的应用于实际样品中SMZ的检测。(2)氧化石墨烯量子点(GOQDs)表面修饰单链DNA分子形成(QDs-sDNA)纳米复合物,作为荧光探针和能量供体,猝灭剂氧化石墨烯(GO)作为能量受体,设计了一种新型的以荧光共振能量转移(FRET)为基础的生物传感器,并成功地用于NOS终止子基因序列(NOSt)的超灵敏检测。检测机理基于:QDs-sDNA和互补靶DNA之间可以杂交形成QDs-dsDNA;GO对QDs-sDNA具有很强的亲和力而对QDs-dsDNA几乎不具亲和力。体系中没有加入目标DNA的情况下,QDs-sDNA吸附到GO表面,发生荧光共振能量转移(FRET),QDs-sDNA的荧光被猝灭;加入目标DNA的情况下,其与QDs-sDNA杂交形成QDs-dsDNA,不能吸附到GO表面,荧光猝灭程度明显降低。通过比较QDs-sDNA/GO和QDs-dsDNA/GO体系的荧光强度,实现对目标DNA的检测。该传感器的检出限为0.008 nM,线性范围为0.05-50 nM。而且,该传感器具有良好的选择性可以准确地区分目标DNA和单碱基错配的DNA序列,可以很好的应用于生物体液中DNA的检测。(3)氧化石墨烯量子点(GOQDs)偶联单链DNA结合蛋白(SSB)形成QDs-SSB纳米复合材料,作为一种新型的荧光探针。考虑到荧光共振能量转移(FRET)方法的优越性以及实现卡那霉素检测任务的重要性,我们将此荧光探针与BHQ_1修饰的核酸适配体(Apt-BHQ_1)结合,利用荧光共振能量转移(FRET)实现了对卡那霉素(KAN)的灵敏检测,并应用到了牛奶实际样品的分析过程中。分析的机理基于:SSB对处于自由状态的适配体具有很强的亲和力,但对处于折叠状态的适配体几乎不具亲和力;适配体不与目标化合物结合时处于自由状态,与目标化合物结合时处于折叠状态。检测体系不存在KAN时,由于适配体与SSB之间强大的亲和力拉近了QDs-SSB与Apt-BHQ_1之间的距离使两者之间发生FRET,荧光猝灭;检测体系存在KAN时,适配体与KAN结合后呈现折叠状态丧失其与SSB结合的能力,降低了FRET,QDs-SSB荧光恢复,且恢复程度与KAN的加入量显著相关。据此,实现了对KAN的检测,该适体传感器的检出限低至6 pg/mL,线性范围为0.01-90 ng/mL。此外,该方法具有高度选择性、稳定性、特异性、精确性和重复性。总之,本文通过对GOQDs表面进行修饰,制备了3种具有高度特异性的量子点纳米复合材料,发展了3种简单,高效,经济,环保的生物传感器;并实现了对抗生素类物质:(磺胺二甲嘧啶、卡那霉素),以及生物大分子单链DNA的灵敏检测。扩展了GOQDs在荧光探针领域及生物检测方面的应用,同时展示了生物大分子(SSB和DNA)和GOQDs结合的潜力;为解决实际样品中特定目标分子的检测和设计新型的FRET生物传感器提供了新的方向;对于生物化学和分析化学的研究具有重要的应用价值。
【图文】：

石墨烯是一种由单层sp2碳原子组成的二维蜂窝状结构的原子晶体（图1-1）[17]。具有优异的电子和光学性质、高的内在迁移率、良好的热稳定性而且在存储和穿透电子时具有高电导率[18]。自2004年首次被Zhang等通过热解石墨的方法获得以来[19]引起了科研工作者们的广泛关注。在此基础上又发展出化学气相沉积法、化学剥离、机械剥离、分子组装、液相剥离等多种制取方法，，根据不同方法合成材料的不同特征广泛用作涂料，复合材料，导电材料（太阳能电池用导电电极[19]、超级电容器[20]、锂离子电池[21]）、储能材料、传感器材料、高频晶体管和其他电子器件等（表1-1），其中用于科研方面的石墨烯多用化学剥离的方法合成[22]。由于其本身水溶性较小，具有一定的化学惰性以及零带隙特点使其在光能转换中的应用受到一定的局限。图 1-1 （a）石墨烯的 AFM[19]和（b）HR-TEM[23]图像Fig.1-1 AFM[19](a) and HR-TEM[23](b) image

图 1-2 氧化石墨烯结构图Fig 1-2 The structure of graphene oxid[31]化石墨烯在 DNA 检测方面的应用道，氧化石墨烯片层与单链DNA(sDNA)的碱基之间存在较强的π-π作单链DNA标记的荧光探针吸附至其表面，使得探针的荧光减弱甚至猝NA与其互补链发生杂交时，新合成的双链DNA由于缺少暴露的碱基失的结合力从GO表面解吸附使得探针的荧光逐渐恢复，可以很好的补序列寡核苷酸链、互补序列碱基错配的寡核苷酸链和双链DNA作binson, Jeremy T等利用GO的此性质，合成了一种新型的生物传感器NA的互补链和非互补链的作用[37]。2009年Chun-Hua Lu等[33]在此基很好的检测HIV1病毒遗传物质DNA的方法（图1-3）。
【学位授予单位】：山西师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O657.3;TB33

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本文编号：2690938