共振瑞利散射法的一些新应用及基于吖啶橙-化学还原石墨烯的荧光传感器的构建

摘要

近年来发展出的共振瑞利散射(RRS)法是一个高灵敏度和操作简单的分析方法。该技术已成功地用于研究生物大分子上的生色团聚集，通过与染料分子的离子缔合作用，共振瑞利散射法已用于一些物质的测定，如生物大分子、金属离子、非金属离子等。另外，共振瑞利散射法被证明是测定一些物理化学常数的好方法，如测定β-环糊精包结常数等。共振瑞利散射法为研究分子结构、大小、性质、电荷分布及结合状态等提供了新的信息。基于以上研究，本文开发了共振瑞利散射法的一些新应用，例如测定表面活性剂预胶束、第一临界胶束浓度和第二临界胶束浓度;测定蛋白质的等电点;从其他构型或结构的DNA中区分平行G-四链体结构等。实验表明，建立的以上方法获得了满意的结果。另外，本文合成和表征了化学还原石墨烯;研究了化学还原石墨烯与吖啶橙形成的复合物与表面活性剂的反应规律;构建了两个基于吖啶橙-化学还原石墨烯平台的荧光传感器，分别用于了阳离子表面活性剂以及血晶素的测定，方法灵敏度高、选择性较好、操作简便。
　　 本文的主要研究内容及结论如下:
　　 1.共振瑞利散射法的一些新应用
　　 (1)免探针共振瑞利散射法测定表面活性剂的临界预胶束浓度、第一临界胶束浓度和第二临界胶束浓度
　　 用免探针的方法，在普通的荧光分光光度计上，记录表面活性剂的共振瑞利散射信号，以此来测定其临界预胶束浓度(CPMC)、第一临界胶束浓度(FCMC)和第二临界胶束浓度(SCMC)。在最大散射波长处，记录表面活性剂的共振瑞利散射强度(IRRSmax)，用IRRSmax对表面活性剂的浓度(c)作图，便可得到IRRSmax-c曲线。曲线的拐点对应的浓度，分别为表面活性剂的临界预胶束浓度、第一临界胶束浓度和第二临界胶束浓度。利用该共振瑞利散射法测得了一些阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂及非离子表面活性剂，如十二烷基硫酸钠(SDS)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、氯化十六烷基吡啶(CPC)、吐温20(Tween-20)和吐温80(Tween-80)的第一临界胶束浓度值，以及测得了SDS和CTAB的临界预胶束浓度和第二临界胶束浓度值。实验表明，共振瑞利散射法测得的第一临界胶束浓度、临界预胶束浓度和第二临界胶束浓度值，与电导率法和表面张力法的测定值以及文献值均基本吻合。另外，共振瑞利散射法还可以用于测定两亲生物大分子——血红蛋白（hemoglobin，其结构类似于表面活性剂）的第一临界胶束浓度值。总之，共振瑞利散射法还可一次性完成临界预胶束浓度，第一临界胶束浓度和第二临界胶束浓度的测定，方法灵敏、准确、不需要任何探针。
　　 (2)简单、高灵敏共振瑞利散射法用于蛋白质等电点的测定
　　 用共振瑞利散射法研究了蛋白质的共振瑞利散射强度（IRRs）与溶液pH值之间的关系。实验发现，蛋白质溶液的共振瑞利散射强度先随着溶液pH值的增加而增大;继续增加溶液的pH值，共振瑞利散射强度却逐渐变小，拐点对应溶液的pH值即为蛋白质的等电点。在BR缓冲溶液中，用共振瑞利散射法分别测定了五种蛋白质的等电点(pI)，测定值如下:人血清白蛋白(HSA)，5.13;牛血清白蛋白(BSA)，5.13;卵白蛋白(OVA)，4.33和4.75;胃蛋白酶(PEP)，8.17;血红蛋白(HGB)，7.00。这些蛋白质等电点的文献值分别为:HSA,4.7～4.9;BSA,4.7～4.9;OVA4.59和4.71;PEP,8.1;HGB,7.07。比较实验值和文献值可知，用共振瑞利散射法测定的蛋白质的等电点与文献值基本符合。由此建立了蛋白质等电点测定的共振瑞利散射法，方法简单、灵敏度高、免探针以及适用面广。
　　 (3)高灵敏共振瑞利散射法从其他构型或结构的DNA中区分平行G-四链体结构
　　 当将平行G-四链体结构加入到Mg2+溶液中时，由于平行G-四链体结构与Mg2+形成鸟嘌呤纳米线超分子聚合物(G-wires)，共振瑞利散射强度显著增强;但是，当往Mg2+溶液中加入其他寡聚核苷酸，如单链、双链、三链、i-motif以及反平行G-四链体结构等，Mg2+不会改变这些寡聚核苷酸的结构，因此共振瑞利散射光谱和强度不会任何发生改变。以此，可以建立用共振瑞利散射法从其他构型或结构的DNA中区分平行G-四链体结构的新方法。方法灵敏度高，仅1.3nM的平行G-四链体结构c-myc（人类癌症的致癌基因启动子区域中最常见的故障基因之一）就可以使得共振瑞利散射光谱和强度发生明显变化。此外，该共振瑞利散射法不仅可以从其他构型或结构的DNA中区分出平行G-四链体结构，还可以从混合寡聚核苷酸样品中识别出纳摩尔级的平行G-四链体结构。另外，我们还用该共振瑞利散射法研究了寡聚核苷酸链d(G4T4G4)在钙离子作用下，由反平行G-四链体转变成平行G-四链体结构，最终形成G-wire的过程。因此，通过简单地测量散射信号的变化，我们建立了高灵敏的、能从其他构型或结构的DNA中区分出平行G-四链体结构的新方法——共振瑞利散射法。
　　 2.基于吖啶橙-化学还原石墨烯的荧光传感器的构建
　　 (1)化学还原石墨烯的合成、表征以及基于吖啶橙-化学还原石墨烯的荧光传感器用于阳离子表面活性剂的测定
　　 首先通过肼还原石墨烯氧化物(GO)的方法合成和表征了化学还原石墨烯(rGO)，合成出的化学还原石墨烯经过表征，与过去的文献报道保持一致。其次，由于表面活性剂特殊的结构，通过引入吖啶橙，借助于研究AO-rGO复合物与不同表面活性剂反应的荧光光谱变化规律，我们可以得到以下结论:即表面活性剂与化学还原石墨烯之间可能存在的相互作用有:静电作用、π-π堆积作用和疏水作用;静电作用、π-π堆积作用和疏水作用越强，表面活性剂与化学还原石墨烯的作用力越大;另外，亲水基团碱性越强，表面活性剂与化学还原石墨烯的作用力越大;再者，表面活性剂与化学还原石墨烯之间的相互作用力的大小顺序可能为:静电作用＞π-π堆积相互作用＞疏水作用。该规律也可用于为指导其他的一些物质例如寡聚核苷酸链等与化学还原石墨烯的相互作用提供一定的依据。最后，建立了一个基于AO-rGO平台的测定阳离子表面活性剂的荧光传感器。在这个荧光传感器中，吖啶橙与化学还原石墨烯由于静电作用和π-π聚集作用生成复合物，从而导致吖啶橙溶液的荧光完全猝灭，此时荧光传感器为关闭状态(off)。当向AO-rGO复合物中加入表面活性剂（如阳离子表面活性剂CDBAC、CPB、Zeph、CTAB，非离子表面活性剂TX100、TX114，阴离子表面活性剂SDS、SDBS、SLS等）后，仅有阳离子表面活性剂能够开启该荧光传感器，而其他的表面活性剂并不会与该荧光传感器发生作用。阳离子表面活性剂能够依靠静电作用、π-π聚集作用和疏水作用与化学还原石墨烯形成复合物，被竞争出的吖啶橙从化学还原石墨烯表面释放出来，从而荧光得以恢复，此时该荧光传感器为开启状态(on)。在一定浓度范围内，荧光增强的强度与阳离子表面活性剂的浓度成线性关系;该荧光传感器的灵敏度较高、选择性较好、操作简便，对于不同的阳离子表面活性剂，其检测限(3α/K)在0.039～0.168μM之间。
　　 (2)高灵敏、高选择性、免标记、基于吖啶橙-化学还原石墨烯的荧光适配体传感器用于血晶素的测定
　　 具有G-四链体结构的血晶素适配体(PS2.M)能够从化学还原石墨烯上夺取吖啶橙，从而使被化学还原石墨烯猝灭的吖啶橙的荧光得以恢复，并且大大增强。当AO-PS2.M/rGO的混合物与血晶素一起孵化时，血晶素与其适配体PS2.M的特异性结合会使得的吖啶橙再次返回至化学还原石墨烯表面，从而再次猝灭吖啶橙的荧光，吖啶橙荧光猝灭的强度，与血晶素浓度成正比。基于吖啶橙荧光的猝灭反应，可以高灵敏度和高选择性地测定血晶素，测定限低至50nM。

目录

声明

缩写符号对照表

摘要

第一章 绪论

第一节 表面活性剂临界胶束浓度的测定

1．1 表面活性剂的概念

1．2 表面活性剂的分类

1．3 表面活性剂的临界胶束浓度

1．4 表面活性剂的临界胶束浓度的测定

1．5 表面活性剂的临界预胶束浓度及第二临界胶束浓度

第二节 石墨烯

2．1 石墨烯的基本概念

2．2 石墨烯的性质

2．3 石墨烯的制备方法

2．4 基于吖啶橙-化学还原石墨烯的荧光传感器的构建

第三节 适配体生物传感器

3．1 适配体基本概念

3．2 适配体的优点

3．3 适配体与目标物质的相互作用

3．4 适配体生物传感器

3．5 荧光适配体生物传感器

第四节 G-四链体

4．1 G-四方体

4．2 G-四链体

4．3 G-四链体结构的多态性

4．4 真核细胞染色体末端在体外存在的G-四链体结构

4．5 G-四链体结构研究的意义

4．6 一些适配体分子的G-四链体结构

4．7 G-四链体结构的表征方法

第五节 本文的主要研究内容及研究意义

5．1 本文的主要研究内容

5．2 本文的研究意义

参考文献

第二章 共振瑞利散射法的一些新应用

第一节 免探针共振瑞利散射法测定表面活性剂的临界预胶束浓度、第一临界胶束浓度和第二临界胶束浓度

摘要

关键词

1 前言

2 实验部分

3 结果与讨论

4 结论

参考文献

第二节 简单、高灵敏共振瑞利散射法用于蛋白质等电点的测定

摘要

关键词

1 前言

2 实验部分

3 结果与讨论

4 结论

参考文献

第三节 高灵敏共振瑞利散射法从其他构型或结构的DNA中区分平行G-四链体结构

摘要

关键词

1 前言

2 实验部分

3 结果与讨论

4 寡聚核苷酸d(G4T4G4)由反平行G-四链体向平行G-四链体结构的转变过程

5 结论

参考文献

第三章 基于吖啶橙-化学还原石墨烯的荧光传感器的构建

第一节 化学还原石墨烯的合成、表征以及基于吖啶橙-化学还原石墨烯的荧光传感器用于阳离子表面活性剂的测定

摘要

关键词

1 前言

2 试剂及仪器

3 结果与讨论

4 结论

参考文献

第二节 高灵敏、高选择性、免标记的基于吖啶橙-化学还原石墨烯的荧光适配体传感器用于血晶素的测定

摘要

关键词

1 前言

2 实验部分

3 结果与讨论

4 结论

参考文献

致谢

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