基于石墨烯量子点的纳米荧光探针构建及生物传感应用

摘要

石墨烯量子点(GQDs)是一种零维的石墨烯片，其尺寸一般小于100nm，由于其独特的物理和化学性质，逐渐受到了广泛的关注。虽然已经有不少基于石墨烯量子点的生物传感平台的报道，但是这些传感体系的构建一般需要经过复杂的修饰合成;其次，目前绝大部分基于GQDs的传感平台都采用单光子激发，这限制了GQDs的进一步利用。为解决这些问题，本论文采用非共价组装的方式结合GQDs与其它纳米材料，如银纳米颗粒(AgNPs)、金纳米颗粒(AuNPs)、和二氧化锰(MnO2)纳米片等，构建了过氧化氢、葡萄糖、氰根离子及谷胱甘肽等目标物的纳米传感体系，并且通过合成具有双光子性质的GQDs，降低了复杂体系的背景干扰。
　　1)DNA介导的GQDs/AgNPs复合材料应用于H2O2及葡萄糖的灵敏检测
　　大量研究表明，过氧化氢(H2O2)在生理调节过程中扮演着重要的角色。本章构建了一种以通过DNA连接组装形成的AgNP-DNA@GQDs复合纳米探针用于H2O2的灵敏检测。通过H2O2对AgNPs的腐蚀作用和反应产生的羟基自由基切断DNA来实现H2O2的响应，提高了检测的灵敏度。AgNP-DNA@GQDs复合纳米探针中，AgNPs通过能量转移淬灭GQDs荧光。在目标物H2O2存在的情况下，H2O2腐蚀银纳米颗粒，降低银纳米颗粒的吸收强度，减弱AgNPs与GQDs之间的能量转移，从而使GQDs的荧光恢复。值得注意的是，AgNPs与H2O2反应的过程中产生的羟基自由基能切断DNA，破坏AgNP-DNA@GQDs复合结构，使GQDs荧光进一步增强。在最优的检测条件下，H2O2的检测下限为0.10μM。结合葡萄糖氧化酶，AgNP-DNA@GQDs复合纳米探针可以扩展应用于尿样中葡萄糖的检测。尿样中葡萄糖的检测结果表明其回收率达到94.6-98.8％，准确灵敏的葡萄糖检测可以为糖尿病的研究和临床分析提供参考。
　　2)GQDs/AuNPs复合材料应用于植物组织内源性CN-的双光子检测及成像
　　植物组织是人类摄取CN-的重要来源，因此有必要发展植物组织中CN-的灵敏检测方法。到目前为止，已经报道了一系列水样和哺乳动物细胞中的CN-检测和成像方法。然而植物组织中的CN-检测成像方法比较少。传统单光子技术检测的挑战来自于高信号背景和弱的组织穿透深度。为解决这些问题，利用近红外光子作为激发光源的双光子荧光技术应用越来越广泛。受双光子技术背景荧光低这一特性的启发，通过多肽连接GQDs和AuNPs，构建了一种植物中内源性CN-检测成像的Au-PEP@GQDs纳米探针。在最优的检测条件下，CN-的检测下限可达到0.52μM。得益于GQDs优异的双光子性质，Au-PEP@GQDs成功的实现了多种植物组织中CN-的检测成像，并可以监控木薯加工过程中CN-的清除效率。这是基于GQDs的双光子探针第一次应用于植物组织中的CN-检测和成像。此外，该体系的设计为发展基于双光子荧光纳米材料的检测成像提供了新的设计思路。
　　3)GQDs-MnO2纳米复合体系的构建及细胞内GSH的双光子成像
　　谷胱甘肽(GSH)是人体内重要的还原剂，参与体内重要的生命活动，人体内生GSH含量的变化会引发严重的疾病。因此，设计合成方便、快速、成本低廉及灵敏的生物硫醇检测体系具有重要的意义。首先利用氨水热法合成具有优异光学性质的GQDs，通过在GQDs表面原位生长二氧化锰纳米片(MnO2)，构建GQDs-MnO2的复合纳米体系。MnO2的吸收与GQDs的荧光具有较大程度的重叠，通过荧光共振能量转移(FRET)可以有效的淬灭GQDs的双光子荧光。当存在目标物GSH时，GSH可以溶解MnO2，释放出GQDs，恢复GQDs的荧光。通过GQDs的荧光恢复程度，可以实现GSH的快速、灵敏响应。在最佳检测条件下，GSH的检测下限分别为0.31μM，可以实现细胞和组织内GSH的检测与成像。
　　4)H2O2响应的多功能AgNP@Chi-GQDs纳米复合材料用于肿瘤成像及治疗
　　长期以来，肿瘤治疗是一个难题。随着AgNPs研究的深入，其潜在的肿瘤抑制作用也逐渐引起了关注。本章以修饰有GQDs的壳聚糖为模板原位生长AgNPs，构建了AgNP@Chi-GQDs复合纳米材料。肿瘤细胞内高浓度水平的H2O2可以溶解AgNPs并释放Ag+，达到肿瘤治疗的效果。同时，由于AgNPs溶解，被AgNPs淬灭的GQDs双光子荧光也逐渐恢复。因此，通过GQDs的荧光恢复可以实现对肿瘤荧光成像的目的。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 荧光传感器的设计原理

1．3 荧光传感器的分类

1．3．1 有机小分子荧光探针

1．3．2 纳米荧光传感器

1．4 石墨烯量子点的制备、功能化及应用

1．4．1 石墨烯量子点的性质

1．4．2 石墨烯量子点的制备方法

1．4．3 石墨烯量子点的功能化

1．4．4 石墨烯量子点的应用

1．5 石墨烯量子点荧光探构方式

1．5．1 贵金属纳米颗粒的合成方法

1．5．2 贵金属纳米颗粒在生物传感中的应用

1．5．3 石墨烯量子点复合纳米材料的构建及其应用

1．6 本论文的研究工作

第2章 基于GQDs的复合纳米材料用于过氧化氢及葡萄糖的灵敏检测

2．1 引言

2．2 仪器与试剂

2．2．1 仪器

2．2．2 试剂

2．3 实验方法

2．3．1 AgNP-DNA@GQDs复合纳米材料的构建与表征

2．3．2 AgNP-DNA@GQDs复合纳米材料用于过氧化氢的检测

2．3．3 AgNP-DNA@GQDs复合纳米材料用于尿液中葡萄糖的检测

2．4 结果与讨论

2．4．1 H2O2和葡萄糖传感体系的设计机理

2．4．2 GQDs的表征与光谱性质

2．4．3 AgNP-DNA@GQDs复合纳米材料的构建与表征

2．4．4 AgNP-DNA@GQDs复合纳米材料用于过氧化氢的检测

2．4．5 AgNP-DNA@GQDs复合纳米材料用于尿液中葡萄糖的检测

2．5 小结

第3章 基于GQDs／AuNPs复合物实现植物组织内源性CN-的双光子检测及成像

3．1 引言

3．2 仪器与试剂

3．2．1 仪器

3．2．2 试剂

3．3 实验方法

3．3．1 复合纳米材料AuNP-PEP@GQDs的构建与表征

3．3．2 AuNP-PEP@GQDs用于CN-的检测

3．3．3 植物组织中CN-的检测与成像

3．4 结果与讨论

3．4．1 CN-传感体系的设计机理

3．4．2 双光子GQDs的表征与光谱性质

3．4．3 AuNP-PEP@GQDs复合纳米材料的构建

3．4．4 CN-响应机理研究及响应曲线

3．4．5 植物组织中CN-的检测与成像

3．5 小结

第4章 GQDs-MnO2纳米复合体系的构建及细胞内GSH检测成像

4．1 前言

4．2 仪器与试剂

4．2．1 仪器

4．2．2 试剂

4．3 实验方法

4．3．1 GQDs的合成与表征

4．3．2 GQDs-MnO2检测体系的构建

4．3．3 GQDs荧光恢复检测生物硫醇

4．4 结果与讨论

4．4．1 GSH的检测及成像机理

4．4．2 GQDs-MnO2纳米复合体系的构建

4．4．3 GSH的体外检测

4．4．4 细胞及组织内GSH的检测成像

4．5 小结

第5章 基于Chi-GQDs模板生长的AgNPs用于肿瘤成像及治疗

5．1 前言

5．2 仪器与试剂

5．2．1 仪器

5．2．2 试剂

5．3 实验方法

5．3．1 AgNP@Chi-GQDs纳米药物的合成及表征

5．3．2 H2O2激活AgNP@Chi-GQDs纳米药物的肿瘤治疗

5．3．3 肿瘤细胞荧光成像

5．3．4 活体荧光成像及治疗

5．4 结果与讨论

5．4．1 H2O2激活的肿瘤成像及治疗机理

5．4．2 AgNP@Chi-GQDs纳米药物的合成及表征

5．4．3 H2O2激活AgNP@Chi-GQDs纳米药物的肿瘤治疗

5．4．4 肿瘤细胞成像

5．4．5 活体荧光成像及治疗效果

5．5 小结

结论与展望

参考文献

附录 攻读学位期间所发表的学术论文目录

致谢