基于金纳米材料的光学传感方法设计及其在环境和生物分析中的应用

发布时间：2020-02-05 17:21

【摘要】：随着工业的不断发展,环境污染已经达到严重危及生态平衡和人类身体健康的程度,因此发展简单、快速、灵敏的环境污染物检测技术和疾病诊断技术成为当今科研工作者研究的热点之一,而纳米材料的出现对检测技术的进步起到了显著的推动作用。由于具有优异的光学性能,金纳米材料可以在光学传感方法的设计当中作为良好的光学信号传导单元;再通过与对待测物有特异性识别作用的分子配体和化学、生物反应相结合,可以实现待测物高灵敏度、高选择性的检测。据此,我们发展了一系列基于金纳米材料的光学传感方法用于检测环境中的重金属离子、阴离子以及具有疾病指示功能的生物分子,并对它们在实际样品中的应用性能进行了探索,其具体内容如下:1.基于金纳米颗粒反聚集的比色分析法用于有机汞离子的检测。本方法采用金纳米颗粒作为信号传导单元,并利用纳米颗粒间的距离变化实现了有机汞离子的检测。单分散的金纳米颗粒在加入1-(2-吡啶偶氮)-2-萘酚(PAN)后会发生聚集,同时溶液颜色也会由红色变为蓝色。当有机汞离子存在时,由于PAN优先与有机汞离子发生络合作用,导致PAN引起金纳米颗粒发生聚集的能力得到削弱,此时反应溶液仍然可以保持红色。根据这个原理,建立了一种“蓝变红”(Blue to Red)型比色分析方法用于有机汞离子的检测。在掩蔽剂乙二胺四乙酸二钠(EDTA)的辅助作用下,所设计的分析方法表现出良好的灵敏度和选择性。2.基于金纳米棒的形貌变化比色检测铜离子(Cu2+)。在SCN-的配位作用下,Au(SCN)2-/Au的氧化还原电位低于H2O2/H2O的氧化还原电位,此时金纳米棒会被双氧水氧化,导致其长径比的减小和溶液颜色由蓝色向红色的转变。由于Cu2+可以催化双氧水的分解,因此Cu2+的存在可以对双氧水氧化刻蚀金纳米棒起到一定的阻碍作用。据此,我们发展了一种免标记的Cu2+比色分析方法。这种在特异性氧化还原反应基础上建立起来的光学传感方法具有良好的选择性和抗干扰能力,同时由于所使用的纳米材料不需要经过复杂的修饰过程,使得操作步骤非常简单。此外,该方法在实际样品检测中表现出来的优良性能证明其具有一定的实际应用价值。3.辣根过氧化物酶辅助的金纳米棒形貌变化比色检测碘离子(I-)。在辣根过氧化物酶的辅助作用下,I-会被双氧水氧化生成I2;而I2可以致使十六烷基三甲基溴化铵稳定的金纳米棒发生轴向方向的氧化刻蚀,同时伴随着纵向表面等离子体共振吸收峰的蓝移和溶液的颜色变化。基于以上原理,建立了一种基于金纳米棒形貌变化的免标记的I-比色分析方法。这种方法简单、快速、灵敏,同时对I-具有良好的特异性识别能力,并在实际样品的检测中取得了令人满意的结果。4.基于异硫氰酸荧光素(FITC)修饰的金纳米颗粒荧光法检测铜离子(Cu2+)。本研究制备了FITC修饰的金纳米颗粒,通过两者之间荧光共振能量转移的发生导致FITC的荧光猝灭。当有半胱氨酸存在时,由于Au S的结合能力强于Au SCN的结合能力,FITC会被半胱氨酸取代重新分散到体系溶液中,此时反应体系的荧光增强;而Cu2+的加入可以催化半胱氨酸被溶解氧氧化形成具有二硫键的胱氨酸,此时FITC仍然可以吸附在金纳米颗粒表面,体系荧光不会恢复。根据这个现象,可以实现Cu2+高灵敏度、高选择性的分析检测。在最佳实验条件下,Cu2+的线性检出范围为1.0 17.0 n M,最低检出限为0.37 n M。5.基于金增强的金纳米颗粒模拟酶活性用于可视化免疫分析。纳米金免疫标记是一种应用广泛、技术成熟的免疫标记技术,可是由于金纳米颗粒自身的模拟酶活性较低,当其被抗体修饰之后,其催化活性几乎完全丧失。为了提高免疫标记的金纳米颗粒催化活性,本研究在“抗体 抗原 金标抗体”夹心结构形成之后,通过简单的金增强步骤使得金纳米颗粒继续生长,此时新生成的金层能够极大地提高金纳米颗粒的催化活性。在双氧水(H2O2)的存在下,增强后的金纳米颗粒能够将3,3’,5,5’-四甲基联苯胺(TMB)催化生成有色物质。基于这个原理,可以实现靶标分子(以Human Ig G为例)高灵敏度、高选择性的可视化分析检测。在最佳实验条件下,该方法的线性检出范围为0.7 100 ng/m L,最低检出限为0.3 ng/m L,并在血清样品的检测中具有一定的应用价值。更重要的是,本方法的成功设计可以拓宽纳米材料在免疫分析检测中的应用范围。
【图文】：

光学性质受到光学传感方法研究人员的广泛青睐，多种基于金纳米材料析方法已被成功用于环境和生物分析中。1 局域表面等离子体共振当一束光照射到金属纳米颗粒时，入射光会驱动金属表面的传导自由电动从而使表面电子云偏离原子核。与此同时，电子云与原子核之间的库会吸引电子云使之重新向原子核的方向运动。因此电子会在原子核的附荡产生局域表面等离子激元[1]。（图 1-1）当纳米颗粒的尺寸远小于入射射光的频率与自由电子的振荡频率相同时，会产生共振使得表面电子的大幅增强，，这种现象称之为局域表面等离子体共振（Localizedsurfaceplnance），其宏观表现为在紫外-可见吸收光谱中表现出很强的特征吸收峰表面等离子体共振吸收峰。值得一提的是，金纳米材料的局域表面等离吸收峰会随着自身形貌、组成、纳米颗粒间距离和周围环境介电常数的相应改变[1]，因此可根据这一性质设计光学传感方法。

图 1-2 不同粒径（A）金纳米颗粒和（B）空心金纳米颗粒的紫外-可见吸收光谱图及溶液照片图[3-5]Fig. 1-2 (A) UV-vis absorption spectra and (B) photo image of gold nanoparticles and hollow goldnanospheres with different partical sizes[3-5].
【学位授予单位】：中国科学院烟台海岸带研究所
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R122;X830


本文编号：2576678