基于类水滑石薄层纳米片和贵金属纳米粒子的比色传感器的构建

摘要

光化学传感器利用光信号通过分子的发光现象或吸收光谱的变化来探测分子间的相互作用，易于传递和控制，灵敏度高，越来越受到人们的青睐。比色化学传感器作为光化学传感器的一种，具有方法简单，成本低廉，响应快速，能可视化检测等特点，受到国内外科研人员的大量关注，广泛应用于环境监测，食品安全，生物分析，疾病检测等领域。近年来，纳米材料由于独特的物理和化学性质，具有量子效应、比表面积大，催化活性好且易于功能化，为发展高灵敏光化学传感器提供了便利的平台。本研究利用插层剥离，生物分子复合，蛋白质原位合成的方法制备了一系列纳米材料，并基于材料的过氧化物模拟酶活性及独特的光学性质，结合紫外可见吸收光谱，构建了一系列比色化学传感器，主要分为以下四个方面:
　　(1)基于CoAl LDH薄层纳米片的过氧化物模拟酶活性实现了葡萄糖的比色检测。利用水溶性小分子天冬酰胺，对CoAl层状类水滑石在45℃水浴振荡条件下剥离，得到稳定存放的粉红色胶状悬浮液，采用SEM、TEM、XRD、AFM等多种表征手段，证实了材料由规则六边形层状材料剥离成了不规则薄层纳米片。将剥离前后的材料用于催化H2O2与TMB的显色反应，发现二维薄层纳米片的催化活性大大增加，表现出极好的过氧化物模拟酶活性，在CoAl LDH薄层纳米片的催化下，TMB氧化产物的紫外可见吸收光谱在652nm下的吸光度与H2O2浓度成正比，同时也与溶液颜色变化梯度成正比，可用于检测H2O2;同时，基于在葡萄糖氧化酶的作用下葡萄糖能产生H2O2的反应，该实验也可用于葡萄糖的比色检测;本实验对H2O2和葡萄糖的检测限分别为0.01mmol·L-1和0.05mmol·L-1。此外，实验还对此比色传感器的选择性进行了研究，发现其对葡萄糖具有较好的选择性;并选取了两种果汁作为实际样品进行了葡萄糖的检测，得到了较好的结果。
　　(2)利用DNA/CuAl-LDH复合纳米片的过氧化物模拟酶活性实现了葡萄糖的高灵敏检测。本实验利用鲱鱼精DNA生物分子，对CuAl类水滑石在室温下振荡剥离，得到了DNA/CuAl-LDH复合纳米片材料，采用SEM、TEM、AFM、XRD等表征手段对材料进行了表征。实验表明，剥离后的类水滑石成为二维薄层纳米片并与带负电荷的鲱鱼精DNA形成了复合纳米材料，比剥离前的LDH表现出增强的过氧化物模拟酶活性，以DNA/CuAl-LDH复合纳米片模拟过氧化物酶，对H2O2和TMB的反应进行催化，从而建立了检测过氧化氢和葡萄糖的比色方法，检出限分别为0.01mmol·L-1和8μmol·L-1。实验表明该方法对葡萄糖具有较高的选择性，对实际样品人血清中的葡萄糖进行了成功的检测。
　　(3)基于牛血清白蛋白原位生成铂纳米粒子的过氧化物模拟酶活性实现了对H2O2的比色检测。利用牛血清白蛋白氨基酸残基的还原性，在水溶液中无外加还原剂的情况下，原位合成了BSA-Pt复合材料，并用TEM、EDX、RSS手段对材料进行了表征。研究表明BSA-Pt复合材料能够很好的催化H2O2和TMB的反应，具有较高的过氧化物模拟酶活性，由此建立了一种快速检测过氧化氢的比色方法。检测的线性范围为50μmol·L-1-3 mmol·L-1，检出限达到7.9μmol·L-1肉眼可见的最低检测浓度为200μ mol·L-1。
　　(4)利用AuNPs独特的光学性质实现了对过氧亚硝基自由基ONOO-断裂损伤ssDNA的比色分析。一定链长的ssDNA是自由螺旋的，能够靠静电吸附在带负电荷的AuNPs上，使AuNPs在一定离子强度下保持分散和溶液颜色不变，当包附AuNPs上的ssDNA被活性ONOO-损伤断裂成碎片时，AuNPs受到的保护作用减弱，粒子之间的静电排斥力下降，从而发生不同程度的聚集，溶液颜色也会出现从红-紫-蓝的变化。然而，当ONOO-被抗氧化剂清除时，就不能对ssDNA起到破坏作用，ssDNA仍能很好地包附在AuNPs上并防止粒子的聚集和溶液颜色变蓝，从而对抗氧化剂种类和浓度进行选择。