氧化石墨烯量子点纳米复合材料的制备及其在生化分析中的应用研究

摘要

氧化石墨烯量子点（GOQDs）是一种以碳为基础的层状纳米材料。由于其具有优异的光学特征、分散性好、较强的生物相容性、制备过程环保、毒性低、表面含有丰富的含氧官能团，易于修饰，而被广泛的用于生物成像、发光领域以及环境领域。然而将其作为荧光探针应用于生物检测仍处于起步阶段。本论文通过将氧化石墨烯量子点（GOQDs）与具有选择性的生物大分子（核酸适配体、单链DNA结合蛋白、单链DNA）进行偶联，提高了GOQDs荧光探针的选择性。依据加入相应的猝灭剂和目标检测物后，探针荧光强度的不同变化，实现了对人类健康和生态平衡至关重要的抗生素：磺胺二甲嘧啶（SMZ）、卡那霉素（KAN）以及转基因生物的标记性序列（NOSt）基因序列的特异性检测。主要研究内容如下： （1）氧化石墨烯量子点（GOQDs）偶联核酸适配体（apt）形成一种新型的荧光探针（GOQDs@apt）。将此荧光探针作为信号源，氧化石墨烯（GO）作为猝灭剂，制成荧光开关，实现了对磺胺二甲嘧啶（SMZ）的灵敏性检测。检测机理基于：体系中没有加入SMZ时，由于适配体与GO之间存在很强的π-π作用力，使得GOQDs@apt吸附在GO表面从而猝灭GOQDs@apt的荧光；加入SMZ时，核酸适配体优先结合SMZ而处于折叠状态，隐藏了可以结合GO的氢键，使得GOQDs@apt从GO表面释放，GOQDs@apt的荧光恢复，而且荧光恢复的程度与SMZ的加入量呈显著的正相关。据此实现对SMZ的痕量检测，线性范围为：0.008–60ng/mL，检出限为：0.005ng/mL。该方法具有较高的选择性、抗干扰性，可以很好的应用于实际样品中SMZ的检测。 （2）氧化石墨烯量子点（GOQDs）表面修饰单链DNA分子形成（QDs-sDNA）纳米复合物，作为荧光探针和能量供体，猝灭剂氧化石墨烯（GO）作为能量受体，设计了一种新型的以荧光共振能量转移（FRET）为基础的生物传感器，并成功地用于NOS终止子基因序列（NOSt）的超灵敏检测。检测机理基于：QDs-sDNA和互补靶DNA之间可以杂交形成QDs-dsDNA;GO对QDs-sDNA具有很强的亲和力而对QDs-dsDNA几乎不具亲和力。体系中没有加入目标DNA的情况下，QDs-sDNA吸附到GO表面，发生荧光共振能量转移（FRET），QDs-sDNA的荧光被猝灭；加入目标DNA的情况下，其与QDs-sDNA杂交形成QDs-dsDNA，不能吸附到GO表面，荧光猝灭程度明显降低。通过比较QDs-sDNA/GO和QDs-dsDNA/GO体系的荧光强度，实现对目标DNA的检测。该传感器的检出限为0.008nM，线性范围为0.05-50nM。而且，该传感器具有良好的选择性可以准确地区分目标DNA和单碱基错配的DNA序列，可以很好的应用于生物体液中DNA的检测。 （3）氧化石墨烯量子点（GOQDs）偶联单链DNA结合蛋白（SSB）形成QDs-SSB纳米复合材料，作为一种新型的荧光探针。考虑到荧光共振能量转移（FRET）方法的优越性以及实现卡那霉素检测任务的重要性，我们将此荧光探针与BHQ1修饰的核酸适配体（Apt-BHQ1）结合，利用荧光共振能量转移（FRET）实现了对卡那霉素（KAN）的灵敏检测，并应用到了牛奶实际样品的分析过程中。分析的机理基于：SSB对处于自由状态的适配体具有很强的亲和力，但对处于折叠状态的适配体几乎不具亲和力;适配体不与目标化合物结合时处于自由状态，与目标化合物结合时处于折叠状态。检测体系不存在KAN时，由于适配体与SSB之间强大的亲和力拉近了QDs-SSB与Apt-BHQ1之间的距离使两者之间发生FRET，荧光猝灭；检测体系存在KAN时，适配体与KAN结合后呈现折叠状态丧失其与SSB结合的能力，降低了FRET，QDs-SSB荧光恢复，且恢复程度与KAN的加入量显著相关。据此，实现了对KAN的检测，该适体传感器的检出限低至6pg/mL，线性范围为0.01-90ng/mL。此外，该方法具有高度选择性、稳定性、特异性、精确性和重复性。 总之，本文通过对GOQDs表面进行修饰，制备了3种具有高度特异性的量子点纳米复合材料，发展了3种简单，高效，经济，环保的生物传感器；并实现了对抗生素类物质：（磺胺二甲嘧啶、卡那霉素），以及生物大分子单链DNA的灵敏检测。扩展了GOQDs在荧光探针领域及生物检测方面的应用，同时展示了生物大分子（SSB和DNA）和GOQDs结合的潜力；为解决实际样品中特定目标分子的检测和设计新型的FRET生物传感器提供了新的方向；对于生物化学和分析化学的研究具有重要的应用价值。

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