表面增强拉曼光谱在活性氧及其相关物质检测中的应用

发布时间：2020-09-25 11:59

　　当生命体处于正常状态时,机体内氧化物质的产生、消逝和抗氧化物质的产生、消逝处于动态平衡。此时,适量产生的活性氧(Reactive Oxygen Species,ROS)对细胞内的免疫调节、信号传导等具有重要的生理意义。但是当机体受到一些外源性或内源性刺激时,会使得活性氧正常的代谢过程被中断,造成活性氧爆发,使得氧化应激产生。氧化应激的发生通常会引发一系列的严重的后果:加快机体的衰老、体内酸碱平衡的紊乱以及多种疾病的发生。因此开发一系列选择性好、响应速度快、灵敏度高以及稳定性优良的检测探针和分析方法用于细胞内活性氧及其相关物质的分析检测,对于我们解析氧化应激过程以及氧化应激相关过程是具有深远意义的,同时,还能进一步阐述活性氧和活性氧相关物质在生理病理过程中扮演的角色,这对帮助我们进行某些疾病的早期检查、治疗和预防具有非常重要的意义。大脑作为神经系统的指挥官,控制着人们各种各样的生理活动,而这些活动大部分都是由组成大脑的神经元通过信号传导调节实现的。同时在某些刺激条件下,神经元产生的信号变化又会映射大脑中,引起某些脑功能的变化,进一步引起某些生理功能的一些变化,严重时会导致疾病的发生,如大脑缺血损伤、脑梗以及帕金森病等。因此,在对细胞进行分析检测的基础上,构筑一种探针可以同时应用于大脑层次和细胞水平中的检测,对理解活性氧及其相关物质在这些疾病的生理过程所起到的作用有着进一步的解析。这对指导这些疾病的诊疗具有非常现实的意义。本论文为研究活性氧及其相关物质在氧化应激过程中的作用和联系提供了新的研究方法,并且完成从细胞到活体鼠脑的递增,进一步剖析了活性氧及其相关物质在相关刺激模型中的变化。具体研究内容如下:(1)比率型SERS探针用于细胞内的ClO~-和GSH成像以及传感。在本工作中,我们首先筛选了一种可以对ClO~-和GSH进行循环检测的特异性响应分子4-MP,然后将4-MP修饰在我们合成的纳米金花表面构筑出一种单分子比率型SERS探针(AuF/MP)。4-MP表面的羟基基团在ClO~-和GSH存在的情况下会发生变化,引起SERS光谱的改变。随着ClO~-浓度的升高,AuF/MP SERS光谱中635 cm~(-1)处的峰值会增加,而在1077 cm~(-1)处峰则会降低。当加入GSH后,AuF/MP SERS光谱会恢复,说明AuF/MP在检测ClO~-后也可以用于GSH的测定。此外,在检测过程中822 cm~(-1)处的峰值基本保持不变,可作为内标峰,形成比率型探针,为ClO~-和GSH的检测提高准确度。该探针具有高选择性、高准确度和高灵敏度的特点,成功应用于细胞处于氧化应激下,细胞内ClO~-和GSH的变化。(2)比率型SERS探针用于细胞内pH成像及生物传感。在本工作中,我们设计开发了一种比率型SERS探针,可用于细胞内pH检测和成像。我们同样利用纳米金花作为拉曼增强基底材料,选择了MBA作为pH特异性识别元件。MBA表面的羧基基团在不同pH值下的变化,会引起探针SERS峰形的变化。当pH升高时,1391 cm~(-1)处的峰会升高,1700 cm~(-1)处的峰则会降低,当pH下降时,则会出现相反的现象。因此根据I_(1391)/I_(1700)的比值随pH的变化达到对pH检测的目的。该探针具有极高的灵敏性、稳定性以及准确性,已经成功应用于研究不同刺激下,细胞内pH的变化情况。(3)一种可实时定位、同时检测小鼠脑中碳酸根和pH的SERS光生理学探针。在本工作中,我们首先构建了从纳米尺寸到微米尺寸的玻璃金锥(Au-QT)作为SERS增强基底来满足不同的检测需求。然后我们将CO_3~(2-)和pH各自的特异性识别分子(CO_3~(2-):AT;pH:MBA)以及参比分子(MBN)修饰在玻璃金锥上、构建出SERS光生理探针,实现了CO_3~(2-)和pH的同时测定分析。同时,由于在SERS检测中,没有电信号的应用,不会对神经元放电产生影响,所以我们将SERS检测和电生理技术进行联用,实现了化学信号和电信号的同时获取。最后,具有选择性高、稳定性好、准确度高以及生物相容性好的SERS光生理探针被成功运用于鼠脑缺血状态下鼠脑皮层中CO_3~(2-)和pH的实时检测和成像。并且,为了进一步研究单细胞水平的缺血机制,纳米级别的SERS光生理探针也被应用于单个神经元中的测定。
【学位单位】：华东师范大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O657.37;TP212.3
【部分图文】：

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脂质过氧化自由基（ROO ），单线态氧（1O2），H2O2）以及次氯酸根离子（ClO-）等。要在线粒体中生成，是需氧型生物体内细胞在代谢过程[4]。如图 1.1 所示，基态氧可以通过多种方式转化成各过一个电子的获取可以被还原成 O2 -（O2+ e-→ O2 -）；还原为 H2O2（O2+ 2H++ 2e-→ H2O2）；O2 -是一种活性极容易发生单电子还原而生成 H2O2（O2 -+ e-+ 2H+→ H2顿型反应由单电子还原生成 OH（H2O2+ Fe2+→ OH +→ OH+OH-+ Cu2+）；而 OH 这种氧化性极高且不稳定的 H2O。另外，从图中可以看到 H+，Fe2+和 Cu2+等离子在活发挥着各自不同的作用。下面分别对本论文工作中涉及质的性质和产生方式进行阐述。

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华东师范大学博士学位论文的 SERS 光生理探针被成功运用于鼠脑缺血状态下鼠脑皮层中 CO32-和 pH 的检测和成像。并且，为了进一步研究单细胞水平的缺血机制，纳米级别的 SERS 光生理探针也被应用于单个神经元中的测定。

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图 4.1 SERS 光生理探针用于鼠脑和单个神经元中 CO32-和 pH 同时检测原理图4.3.2 SERS 光生理探针的表征4.3.2.1 SERS 光生理探针的 SEM 表征

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