生物活性分子磷光传感器构建及机理研究

发布时间：2020-04-25 00:06

【摘要】：生物活性分子是构成生命的基础物质,在生命过程中表现出重要的生理活性或与生物体病变相关,对其分析检测是生命科学研究的首要任务。生物传感器是现代生命科学走向精准化研究的重要组成部分,是各种生物分子识别、检测、分离、显影的主要手段。掺杂量子点由于其优异的光学性质,且生物相容性好、生物毒性低,被广泛应用于光学生物传感器的构建。其中Mn掺杂ZnS量子点(Mn-ZnS)构建的光学传感器具有独特的室温磷光(RTP),可以避免生物自体荧光的干扰,对于成分复杂、荧光背景强的生物样品非常适用。本文采用适当的修饰剂对Mn-ZnS量子点表面功能化,构建具有RTP特性的光学生物传感器,实现了对生物大分子(多糖、蛋白质、酶活性)的灵敏检测,并对其在实际生物样品中的应用性能进行分析,具体工作如下:1.以PDAD(聚二烯二甲基氯化铵)作为修饰剂包裹在Mn-ZnS量子点表面,构建PDAD-Mn-ZnS量子点纳米复合物,并将其作为RTP磷光生物传感器用于透明质酸检测。PDAD-Mn-ZnS量子点纳米复合与透明质酸之间存在强烈的静电相互作用,导致PDAD-Mn-ZnS量子点纳米复合物与透明质酸之间的聚集,从而增强了量子点的RTP。在一定范围内,RTP的增强与透明质酸浓度相关。在此基础上,建立了一种用于透明质酸检测的高性能磷光传感器,传感器的检出限为0.03μg m L-1,检测范围为0.08~2.8μg m L-1。该传感器用于透明质酸滴眼液和血清中透明质酸含量的快速检测,无需复杂的样品预处理过程。2.通过磷光共振能量转移(PRET)原理构建了PDAD修饰的Mn-ZnS量子点(PDAD-QDs)/DNA-ROX纳米复合物,并将其作为微球菌核酸酶活性检测的光学生物传感器。该传感器以PDAD-QDs作为能量供体,以ROX单标记的寡核苷酸为能量受体,通过静电相互作用引起PRET,导致量子点RTP强度降低。当微球菌核酸酶存在时,DNA-ROX可以被有效降解成小片段,降解后的DNA小片段与PDAD-QDs的静电相互作用减弱,从而降低量子点和ROX之间的PRET效率,PDAD-QDs磷光强度随着微球菌核酸酶活性的增加而逐渐增加,据此建立了检测微球菌核酸酶活性的RTP传感器。在优化的条件下,PDAD-QDs的RTP强度变化(△RTP)与微球菌核酸酶活性的对数成良好的线性关系,检测范围为2×10-3~8.0×10-2 U m L-1,检出限为6×10-4 U m L-1。并且该传感器可用于金黄色葡萄球菌培养基中微球菌核酸酶的测定。3.通过光诱导电子转移原理构建了MPA(三巯基丙酸)包裹Mn-ZnS量子点/Eu3+纳米复合物,并以AMP(一磷酸腺苷)为底物,设计了一个方便有效的监测碱性磷酸酶活性水平的光学生物传感器。Eu3+作为猝灭剂能够与Mn-ZnS量子点表面上的羧基配位,形成Mn-ZnS QDs/Eu3+纳米复合物。体系中加入AMP与ALP后,在ALP水解催化下,AMP可快速转化为磷酸根离子,由于磷酸根离子与Eu3+可以形成更加稳定的复合物,使得Eu3+从Mn-ZnS量子点表面解附,Mn-ZnS量子点磷光恢复。在优化的条件下,Mn-ZnS量子点的RTP强度变化(△RTP)与ALP活性对数成良好的线性关系,检测范围为0.15~18 U L-1,检出限为0.065 U L-1。该磷光检测法在生物体液样品检测中对ALP具有很高的敏感性,且可避免生物自体荧光和散射光的干扰。4.通过静电自组装制备了PEI包裹Mn-ZnS(PEI-Mn-ZnS)量子点/CBD(PEI:聚二烯二甲基氯化铵;CBD:细胞色素C适配体DNA)纳米复合物,并将其作为室温磷光传感器用于细胞色素C检测。由于细胞色素C与CBD的特异识别能力,形成PEI-Mn-ZnS/CBD/Cyt c三元复合物,细胞色素C作为电子受体,与量子点发生电子转移,导致RTP猝灭。由此建立了一种用于细胞色素C检测的光学生物传感器,检测范围为0.166~9.96μM,检出限为0.074μM。该传感器基于适配体介导,实现了细胞色素C的检测,设计简单,特异性强。
【图文】：

光学元件得到了极大的重视。此外，在作为光学生物传感器构建的主要纳米材学家特别关注的有三个特有的光学性质：激发光谱宽、发射光谱可调和斯托克。量子点电子从基态跳跃到激发态所需能量可来自外部光源，如紫外光。量子点子和双光子吸收截面大的宽吸收，激发光谱宽，同一量子点利用不同波长均能外到近红外（NIR）范围的窄对称光致发光。激发态量子点不稳定，电子必须从激发态回到基态的距离称为带隙。当带隙较发射更多能量。较小的量子点具有较大的带隙，因此，由于发射更高频率的波量），他们的光更偏向于蓝光。较大的量子点具有较小的带隙，，因此他们发出于红光，因为发射频率较低[14]。纳米技术的进步使在生产过程中控制量子点尺寸为 2-6 纳米的新型高荧光均匀的半导体量子点，用同一波长也可激发不同点产生不同颜色，如图 1-1[14,15]所示，可以实现多色标记。

在生物领域有很好的应用。除以上两种方法外，绿色环保的生物合成法近年来受到了研究人员的重视。如图1-2[28,29]所示，生物合成法，以活体生物系统作为量子点的合成平台主要通过金属离子刺激，在温和和高度组织化的细胞环境中发生内在生化耦合，生成量子点。目前已成功用于合成量子点的生物体系主要有：细菌[29-31]、藻类[28,32]、真菌[33]和蚯蚓[34]。生物体内形成的量子点是细胞新陈代谢的产物，量子点合成过程中能量消耗少，合成量子点水溶性好，生物相容性好，且生物毒性低，是生物传感器开发的新途径。
【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;TP212

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本文编号：2639542