生物分子功能化纳米酶的模拟酶性质及可视化生物传感应用

摘要

近年来，随着纳米技术的发展，具有天然酶性质的无机纳米酶倍受研究者关注。与天然酶相比，纳米酶具有成本低廉、制备简单、易于保存运输、环境耐受性高等优点，已广泛应用于催化化学、分析化学和生物医学等领域。无机纳米酶表面的物化特性是影响其类酶催化活性的关键因素，因此纳米酶的表面修饰为新型纳米酶的设计、制备和应用提供了契机。氨基酸和蛋白质用于合成多功能纳米材料具有明显的优势，例如温和的反应条件、独特的分子结构、多样化的功能、高度特异性的生物识别和灵活的自组装能力。基于此，研究制备了氨基酸和蛋白质修饰的纳米酶，并对它们的类过氧化物酶活性以及在可视化检测生物分子应用等方面进行了研究，主要开展了以下三个方面的工作:
　　1.组氨酸功能化金纳米团簇的模拟酶性质及可视化检测铜离子和组氨酸
　　结合组氨酸稳定的纳米金团簇(His-AuNCs)模拟酶性质和组氨酸的两可配体性质，发展了一种基于纳米金团簇的类酶活性“开关”探针检测铜离子和组氨酸的新方法。以组氨酸为还原剂和稳定剂，水相合成了组氨酸稳定的纳米金团簇。His-AuNCs在以3，3'，5，5'-四甲基联苯胺(TMB)和双氧水作为底物时表现出较强的类过氧化物酶的活性。向His-AuNCs中加入Cu2+，Cu2+与His-AuNCs中组氨酸中的羧基与氨基以配位作用结合于团簇表面，降低TMB与纳米酶的亲合性，导致纳米酶活性的降低，且模拟酶活性降低程度与铜离子的浓度线性相关，从而实现对铜离子可视化检测。更为有趣的是，向His-AuNCs/Cu2+中加入游离的组氨酸时，由于组氨酸中咪唑环参与配位，Cu2+与组氨酸的强配位结合使Cu2+离开His-AuNCs表面，His-AuNCs的模拟酶活性又得以恢复，且模拟酶活性恢复程度与组氨酸的浓度线性相关，进一步实现对组氨酸的检测。本工作首次基于纳米金团簇的过氧化物模拟酶性质构建了铜离子和组氨酸比色传感。该方法避免了对纳米金进行复杂的表面修饰和固定化，操作简便快捷，成本低廉，且具有高灵敏度、选择性和可视化等特点。
　　2.组氨酸功能化磁性粒子的模拟酶性质及可视化检测抗坏血酸
　　纳米粒子的表面修饰不仅可以有效防止Fe3O4磁性纳米粒子的聚集，还会影响其本身的类过氧化物酶活性。本章我们用共沉淀法合成了稳定的组氨酸修饰的Fe3O4纳米粒子(His-Fe3O4NP)，所制备粒子具有类过氧化物酶活性，并系统地研究了抗坏血酸（AA）对His-Fe3O4NP纳米酶的类酶活性的影响及作用机制。抗坏血酸对纳米酶活性的影响在很大程度上取决于纳米酶表面组分和底物的结构。AA的加入对纳米酶的催化活性具有双重作用。一方面，AA可以加速Fe3+向Fe2+的还原，增强粒子的活性;另一方面，AA本身可与羟基自由基直接反应消耗自由基而抑制酶的活性。选择不同的底物，则这两个因素发挥不同的作用，因此AA对纳米酶的活性表现出不一样的调控作用。在此基础上，我们构建了高选择性和高灵敏度的抗坏血酸传感器，检测限可以达到1nM(s/n=3)。这不仅加深了对有机生物小分子调控四氧化三铁纳米酶活性的理解，而且对合理设计和应用纳米酶提供了重要理论依据。
　　3.酪蛋白功能化磁性粒子的模拟酶性质及可视化检测乙醇
　　本章通过水热法制备了酪蛋白稳定的Fe3O4纳米粒子，以TEM，SEM，FT-IR，XRD和XPS等测试手段对产物进行表征，结果表明酪蛋白对Fe3O4纳米粒子的稳定起了重要作用。进一步研究结果表明，Casein-Fe3O4复合微粒中的蛋白分子对Fe3O4纳米粒子的类过氧化物酶活性具有增强效应。基于复合粒子的类过氧化物酶活性，我们构建了一种速度快，灵敏度高测定H2O2的方法。检测限为50nM(s/n=3)，线性范围为50nM-10μM。并在Casein-Fe3O4复合粒子的基础上制备乙醇氧化酶/酪蛋白功能化四氧化三铁(AOx/Casein-Fe3O4)复合粒子，构建了一种快速简便测定乙醇的方法。检测限为10μM，线性范围为10μM-10mM。Casein-Fe3O4复合纳米微粒制备简单、容易储存、生物相容性好、易进行磁分离，因此基于具有类过氧化物酶活性的蛋白质功能化纳米酶构建酶级联反应平台在生物医学和环境等相关领域中有着潜在的应用空间。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 纳米酶

1．2 纳米酶的分类

1．2．1 金属氧化物纳米酶

1．2．2 金属纳米酶

1．2．3 非金属纳米酶

1．2．4 纳米酶复合体

1．3 四氧化三铁纳米酶

1．3．1 四氧化三铁纳米酶类酶活性的影响因素

1．3．2 四氧化三铁纳米酶的应用

1．4 金纳米酶

1．4．1 金纳米酶类酶活性的影响因素

1．4．2 金纳米酶的应用

1．5 生物分子控制合成纳米材料

1．5．1 蛋白质为调控剂

1．5．2 氨基酸分子为调控剂

1．5．3 其他生物分子为调控剂

1．6 本文的研究内容及意义

参考文献

第二章 组氨酸功能化金纳米簇的类过氧化物酶性质及可视化检测铜离子和组氨酸

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验试剂

2．2．2 组氨酸功能化金纳米簇的制备

2．2．3 组氨酸功能化金纳米簇的测试与表征

2．2．4 组氨酸功能化金纳米簇类过氧化物酶活性的测定

2．2．5 动力学数据的测定

2．2．6 铜离子的检测

2．2．7 组氨酸的检测

2．2．8 血清中铜离子以及组氨酸的检测

2．3．1 组氨酸功能化金纳米簇的表征

2．3．2 组氨酸功能化金纳米簇的类过氢化物酶活性

2．3．3 铜离子对组氨酸功能化金纳米簇的类过氧化物酶活性的影响

2．3．4 组氨酸对组氨酸功能化金纳米簇的类过氧化物酶活性的影响

2．3．5 检测血清样品中铜离子和组氨酸

2．3．6 His-AuNCs纳米酶比色法检测铜离子和组氨酸的机理

2．4 本章小结

参考文献

第三章 组氨酸功能化磁性粒子的模拟酶性质及可视化检测抗坏血酸

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂

3．2．2 实验方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 His-Fe3O4纳米粒子的表征

3．3．2 His-Fe3O4复合纳米粒子的稳定性

3．3．3 His-Fe3O4复合纳米粒子的类过氧化物酶活性

3．3．4 抗坏血酸对His-Fe3O4的复合纳米粒子模拟酶活性的影响

3．3．5 抗坏血酸影响His-Fe3O4NP类酶活性的机理

3．4 本章小结

参考文献

第四章 酪蛋白功能化的磁性粒子的模拟酶性质及可视化检测乙醇

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验试剂

4．2．2 实验方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 Casein-Fe3O4纳米粒子的表征

4．3．2 Casein-Fe3O4纳米粒子的稳定性

4．3．3 Casein-Fe3O4纳米粒子的类过氧化物酶活性

4．3．4 AOx／Casein-Fe3O4纳米复合物的表征

4．3．5 基于AOx／Casein-Fe3O4纳米复合物比色法检测乙醇

4．3．6 回收实验

4．4 本章小结

参考文献

结论

致谢

硕士学位期间已发论文

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