N-乙酰基-L-半胱氨酸修饰的金纳米的合成及其在传感器中的应用

摘要

以巯基保护的金纳米粒子，也被称为单层保护簇，粒径分布在1～5nm，由于较小的尺寸而表现出一些特殊的物理化学性质。并且金纳米粒子具有易制备和功能化、良好的生物相容性以及较好的水溶性等优点，因此其应用研究已引起了人们广泛的关注。本文合成了以N-乙酰基-L-半胱氨酸修饰的水溶性金纳米粒子，利用各种表征技术对金纳米粒子的形貌、粒径及其光学性质进行了研究，并将金纳米粒子应用于H2O2和酪氨酸酶生物传感器的研制之中。
　　第一章:简述了纳米材料的特性及应用，主要是对金纳米粒子的制备方法、表征手段及其在催化、光学、DNA传感、免疫传感和酶传感器中的应用研究进行了综述，并简要介绍了本论文的主要研究内容和创新点。
　　第二章:以巯基化合物N-乙酰基-L-半胱氨酸作为修饰剂，通过硼氢化钠还原氯金酸合成了单层保护的金纳米粒子。运用透射电子显微镜、红外光谱、热重分析等表征手段对合成的金纳米的形貌、粒径、组成进行了研究。实验结果表明:NAC-金纳米粒子呈球形均匀分散，其平均粒径为1.89±0.04 nm，紫外-可见吸收光谱也进一步证实了NAC-金纳米粒子的粒径小于2nm;红外光谱证明了Au-S键的形成;热重分析表明NAC-金纳米粒子中NAC的含量约为27％，由此可推算出合成的NAC-金纳米粒子的平均分子式约为Au32(NAC)17。用荧光光谱仪对NAC-金纳米粒子的光致发光性质进行了研究，结果表明NAC-金纳米粒子的具有较宽的激发范围（420-540 nm），最大发射波长为730 nm，位于近红外区域;实验还对NAC-金纳米的荧光寿命进行了测定并对其光致发光的机理进行了探讨。
　　第三章:结合苯醌类化合物对NAC-金纳米近红外荧光的猝灭现象和酪氨酸酶对苯酚类化合物的催化作用，建立了一种新的测定苯酚类化合物的方法。首先将酪氨酸酶分子和NAC-金纳米粒子通过溶液混合反应后形成复合物，并用透射电子显微镜对其形貌进行表征。利用荧光光谱仪研究了NAC-AuNPs-Tyr的光谱特性以及苯酚类化合物对其光谱的影响，实验结果表明NAC-金纳米和酪氨酸酶的结合并未影响到NAC-金纳米的荧光性质和酪氨酸酶的催化活性。随着邻苯二酚的加入，NAC-AuNPs-Tyr的近红外荧光被猝灭，由此建立测定邻苯二酚的方法，该方法的检出限为1.0×10-7mol/L，线性范围为5.0×10-7～1.0×10-3 mol/L。对各种实验条件进行优化，并对荧光猝灭的机理进行了探讨，由酪氨酸酶催化邻苯二酚生成的邻苯醌被认为在荧光猝灭中起到关键的作用。时间分辨荧光光谱的实验结果证明猝灭为动态猝灭。实验还研究了另外两种酚类化合物，苯酚和对甲苯酚对NAC-AuNPs-Tyr的近红外荧光的影响。
　　第四章:首先用硅烷试剂对气相二氧化硅表面进行活化，而后以此为载体固定NAC-金纳米和酪氨酸酶，最后得到的复合物作为荧光探针，建立固体荧光猝灭法来测定邻苯二酚。考察了各种实验条件如不同的硅烷化试剂、不同尺寸的气相二氧化硅等对酪氨酸酶和NAC-金纳米的固定的影响。利用紫外-可见吸收光谱和荧光光谱的测定来计算NAC-金纳米和酪氨酸酶固定到气相二氧化硅表面的吸附率，通过吸附率的大小对各种实验条件进行优化。用荧光光谱仪对NAC-金纳米-酪氨酸酶-气相二氧化硅粉末的固体荧光进行研究，实验结果表明，随着通入不同浓度的邻苯二酚溶液，固体粉末的荧光随之被猝灭，基于此建立了测定邻苯二酚的固体荧光法，该方法的检测限为1.0×10-7 mol/L，线性范围为5.0×10-7～4.0×10-4 mol/L。
　　第五章:由于过氧化氢对NAC-金纳米的近红外荧光有显著的猝灭作用，因此以NAC-金纳米作为荧光探针，建立了测定过氧化氢的荧光猝灭法。考察了不同的pH、温度、NAC-金纳米的浓度、激发波长等因素对测定灵敏度的影响。体系的相对荧光强度与过氧化氢的浓度在一定范围内呈现良好的线性关系，在最佳实验条件下，得到测定过氧化氢的线性范围为1.0×10-5～3.0×10-2 mol/L，检出限为1.0×10-7 mol/L，r2=0.9964。通过测定过氧化氢对NAC-金纳米的荧光寿命的影响，探讨了过氧化氢对NAC-金纳米的荧光猝灭机理，实验表明该荧光猝灭为动态猝灭。该方法简单、快速且检测范围较宽。
　　第六章:基于NAC-金纳米和壳聚糖的纳米复合材料构建了一个简单有效的酪氨酸酶生物传感器，用于苯酚类化合物的测定。由于NAC-金纳米具有较大的比表面积和良好的生物相容性，加上壳聚糖的多孔结构形态，因此将NAC-金纳米-壳聚糖用于酪氨酸酶的固定化中可以提高酶的稳定性和有效保持酶的催化活性。制备好的生物传感器通过检测酶催化生成的苯醌在-0.2V（对饱和甘汞电极）的响应电流来测定苯酚类化合物。考察并优化影响传感器分析测定的各种实验参数，如支持电解质的pH、工作电压和温度。所制备的传感器测定邻苯二酚的线性范围为1.0×10-7～6.0×10-5mol/L，检出限为5.0×10-8 mol/L，r2=0.999。该酪氨酸酶生物传感器呈现出良好的重现性和稳定性。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 纳米材料的特性及应用

1．1．1 表面效应

1．1．2 量子尺寸效应

1．1．3 小尺寸效应

1．1．4 宏观量子隧道效应

1．2 金纳米粒子的制备方法

1．2．1 化学还原法

1．2．2 电化学法

1．2．3 反胶束法或微乳液法

1．2．4 晶种法

1．3 金纳米粒子的表征方法

1．3．1 透射电子显微镜和扫描电子显微镜

1．3．2 X射线衍射显微镜

1．3．3 原子力显微镜

1．3．4 扫描隧道显微镜

1．3．5 紫外-可见吸收光谱

1．3．6 光致发光

1．4 金纳米的应用研究进展

1．4．1 金纳米在催化领域的应用

1．4．2 金纳米在光学方面的应用

1．4．3 金纳米在DNA传感中的应用

1．4．4 金纳米在免疫传感中的应用

1．4．5 金纳米在酶生物传感中的应用

1．5 本论文的立题背景及主要研究内容

1．6 本论文的主要创新点

参考文献

第二章 N-乙酰基-L-半胱氨酸修饰的金纳米粒子的制备及表征

2．1 前言

2．2 实验部分

2．2．1 试剂和仪器

2．2．2 NAC-金纳米粒子的制备

2．2．3 透射电子显微镜表征

2．2．4 红外光谱表征

2．2．5 热重分析的测定

2．2．6 紫外-可见吸收光谱的测量

2．2．7 荧光光谱的测量

2．3 结果与讨论

2．3．1 NAC-Au NPs的TEM图

2．3．2 NAC-Au NPs的傅立叶红外光谱

2．3．3 NAC-Au NPs的热重分析

2．3．4 NAC-Au NPs的紫外吸收光谱

2．3．5 NAC-Au NPs的荧光光谱

2．3．6 NAC-Au NPs的时间分辨荧光光谱

2．3．7 EDC对NAC-Au NPs荧光光谱的影响

2．4 结论

参考文献

第三章 基于NAC-金纳米-酪氨酸酶的近红外荧光猝灭法测定苯酚类化合物

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 试剂和仪器

3．2．2 NAC-金纳米粒子的制备

3．2．3 NAC-金纳米-酪氨酸酶的制备

3．2．4 透射电子显微镜的表征

3．2．5 荧光猝灭法测定苯酚类化合物

3．2．6 时间分辨荧光光谱的测定

3．3 结果与讨论

3．3．1 NAC-Au NPs和NAC-Au NPs-Tyr的TEM表征

3．3．2 NAC-Au NPs-Tyr的光谱特性

3．3．3 o-Quinone对NAC-金纳米和NAC-Au NPs-Tyr的荧光猝灭

3．3．4 邻苯二酚对NAC-金纳米和NAC-Au NPs-Tyr的荧光的影响

3．3．5 时间分辨荧光光谱

3．3．6 实验条件的优化

3．3．7 其它苯酚类化合物的测定

3．3．8 传感器的重现性和稳定性

3．4 结论

参考文献

第四章 气相二氧化硅为载体的金纳米和酪氨酸酶的固定化研究及其应用

4．1 前言

4．2 实验部分

4．2．1 试剂和仪器

4．2．2 NAC-金纳米粒子的制备

4．2．3 气相二氧化硅表面的活化

4．2．4 NAC-金纳米和酪氨酸酶的固定

4．2．5 邻苯二酚的测定

4．3 结果与讨论

4．3．1 NAC-金纳米和酪氨酸酶的吸附率的计算

4．3．2 硅烷化试剂的选择

4．3．3 不同尺寸的气相二氧化硅对吸附率的影响

4．3．4 NAC-金纳米和酪氨酸酶固定化后的固体荧光

4．3．5 固体荧光猝灭法测定邻苯二酚

4．3．6 pH的影响

4．3．7 标准曲线的检测范围及检出限

4．4 结论

参考文献

第五章 基于N-乙酰基-L-半胱氨酸修饰的金纳米的荧光猝灭法测定H2O2

5．1 前言

5．2 实验部分

5．2．1 试剂和仪器

5．2．2 NAC-金纳米粒子的制备

5．2．3 H2O2的测定

5．2．4 时间分辨荧光光谱的测定

5．3 结果与讨论

5．3．1 H2O2对NAC-Au NPs荧光的影响

5．3．2 酸度的影响

5．3．3 温度的影响

5．3．4 NAC-金纳米浓度的影响

5．3．5 激发波长的影响

5．3．6 时间分辨荧光光谱

5．4 结论

参考文献

第六章 酪氨酸酶电化学生物传感器的研制

6．1 前言

6．2 实验部分

6．2．1 试剂和仪器

6．2．2 NAC-金纳米粒子的制备

6．2．3 酶电极的制备

6．2．4 电化学测定方法

6．3 结果与讨论

6．3．1 Chitosan／NAC-AuNPs／Tyr修饰电极的电化学行为

6．3．2 传感器测定参数的优化

6．3．3 传感器的响应特性

6．3．4 传感器的重复性和重现性

6．3．5 传感器的稳定性

6．4 结论

参考文献

总结与后续工作

攻读博士学位期间发表的论文及专利

致谢

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