纳米沸石的表面性质对蛋白吸附行为影响的研究

摘要

随着蛋白吸附在生物传感、药物传递、医学成像等领域越来越广泛的应用，关于蛋白吸附过程的研究和生物材料的定向设计显得愈加重要。纳米沸石具有大的外表面积和丰富可调的表面性质（表面电荷，亲疏水性，离子可交换性等），可以作为酶、多肽等生物分子固定化的载体，将大量、多种生物分子快速吸附在表面，并保持其较高的生物活性，在生物分离、生物检测、蛋白酶解、生物传感和生物催化等领域都表现出优异的性能和广阔的前景。本课题组过去的研究发现，纳米沸石的性质（如形貌、尺寸、硅铝比、晶面等）会对其蛋白吸附能力以及后续利用产生影响，由此引发了我们对两者相互作用机理等一些更为基础性课题的关注相思考。在本论文中，我们对纳米沸石的表面性质对蛋白吸附行为的影响进行系统考察，为研究生物分子与多孔材料间的相互作用提供了全新的视角，也为纳米沸石及其他多孔材料的生物应用提供指导。
　　首先，我们通过微波辅助水热法合成了多种纳米沸石，并对其表面性质进行调变，从而得到具有不同表面微孔结构、亲疏水性、表面曲率及形貌的纳米沸石silicalite-1、Beta、SOD、LTL。通过多种表征方法对合成及修饰后纳米沸石的表面性质和结构性质进行了全面分析，为蛋白吸附的研究奠定了材料基础。
　　丰富的微孔孔道是纳米沸石材料区别于其他纳米晶体的主要特征，因此本论文对纳米沸石的表面微孔对蛋白吸附行为的影响进行重点研究。我们选取细胞色素c(Cyto-c)和南极假丝酵母脂肪酶(CALB)为模型蛋白，对两种蛋白在无孔和多孔纳米沸石上的吸附量、吸附强度、吸附后的构象及生物活性进行了全面的考察和比较，发现尽管纳米沸石的表面微孔小于蛋白尺寸，但对影响蛋白-纳米沸石间的相互作用起到了至关重要的作用。蛋白分子在多孔纳米沸石上表现出更大的吸附强度和更明显的构象改变，Cyto-c的生物活性由此提高，而CALB的催化活性却因此而降低，两种蛋白分子所表现出的截然相反的活性规律恰好反映出蛋白与纳米沸石间相互作用的本质，即蛋白分子和有大量微孔暴露的纳米沸石间具有更强的相互作用，从而导致更大的构象改变。这可能是因为纳米沸石的微孔孔口可以识别蛋白分子中的某些残基或一些尺寸与之相匹配的二级结构，从而诱导蛋白质残基插入其中，降低了吸附自由能，因此蛋白分子和多孔纳米沸石闻具有更强的相互作用。纳米沸石LTL的(001)晶面在蛋白吸附能力上体现出的明显优势，以及蛋白在脱模板前后的小孔纳米沸石SOD上表现出的相近的吸附行为则为微孔效应进一步提供了间接证据。此外，我们还发现，蛋白的表面覆盖度会对蛋白构象和活性产生影响，从而可能缩小甚至反转蛋白分子在无孔和多孔纳米沸石上的活性差距。
　　除了表面微孔的影响以外，我们还对纳米沸石的表面亲疏水性及表面曲率对蛋白吸附行为的影响进行了初步探究。沸石表面的疏水性能对Cyto-c和血红蛋白(Hb)吸附行为的影响程度不大，而对CALB则十分显著，在疏水性的沸石表面，CALB的吸附量和催化活性均得到明显提升。在表面曲率的研究中，随着纳米沸石表面曲率的增大，尺寸相对较小的Cyto-c和CALB与载体材料的相互作用增强，蛋白构象改变增大，而尺寸相对较大的Hb则表现出相反的规律，反映出载体材料和蛋白分子的尺寸在曲率效应研究中的重要性。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 蛋白吸附

1．1．1 蛋白吸附的研究意义

1．1．2 蛋白吸附的基本原理

1．1．3 蛋白吸附的影响因素

1．1．4 蛋白吸附的研究方法

1．2 纳米沸石简介

1．2．1 沸石分子筛的结构和性质

1．2．2 纳米沸石的特点及在催化领域中的表现

1．2．3 纳米沸石在生物技术领域中的应用

1．3 本文工作

参考文献

第二章 微波辅助下纳米沸石的合成与表面性质的调变

2．1 引言

2．2 实验方法

2．2．1 实验试剂

2．2．2 纳米沸石的制备

2．2．3 模板剂的祛除

2．2．4 纳米沸石的表面功能化

2．2．5 仪器表征

2．3 实验结果与讨论

2．3．1 部分脱模板前后纳米沸石的表面与结构性质

2．3．2 表面功能化前后纳米沸石silicalite-1的表面性质

2．3．3 不同表面曲率的纳米沸石silicalite-1的表面性质

2．3．4 不同长径比的纳米沸石LTL

2．4 结论

参考文献

第三章 纳米沸石的表面微孔对蛋白吸附行为影响的研究

3．1 引言

3．2 实验方法

3．2．1 实验试剂

3．2．2 蛋白吸附曲线的测定

3．2．3 蛋白构象分析

3．2．4 酶活测试

3．2．5 仪器表征

3．3 实验结果

3．3．1 Cyto-c在纳米沸石silicalite-1和Beta外表面上的吸附行为

3．3．2 CALB在纳米沸石silicalite-1和Beta外表面上的吸附行为

3．4 讨论与分析

3．4 结论

参考文献

第四章 纳米沸石的亲疏水性与表面曲率对蛋白吸附行为影响的初步研究

4．1 引言

4．2 实验方法

4．2．1 蛋白吸附量的测定

4．2．2 蛋白构象分析

4．2．3 酶活测试

4．3 实验结果和讨论

4．3．1 纳米沸石的亲疏水性对蛋白吸附行为的影响

4．3．2 纳米沸石的表面曲率对蛋白吸附行为的影响

4．4．结论

参考文献

第五章 总结与展望

5．1 论文总结

5．2 论文展望

发表论文

致谢

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