具有聚集诱导发光性质的铜纳米簇的合成及其在水解酶和痕量水检测中的应用

摘要

近年来铜纳米簇的优越性能引起了科学界的广泛关注，它是由几个或十几个铜原子组成的新的纳米材料，和金、银纳米簇纳米簇相比，它具有较好的发光性质、简单的合成方法、较低的原料成本等优点。然而，目前合成的铜纳米簇在应用和分析方面仍然处于初期阶段，还面临很多挑战。为了提高铜纳米簇的稳定性，科学们选用不同的生物大分子作为稳定剂来合成发光铜簇用于生物领域的检测，例如短链的DNA、蛋白质、氨基酸等大分子，但是，用生物大分子或聚合物作为稳定剂合成的铜纳米簇往往具有较差的发光性能，而且这些大分子稳定剂的成本比较昂贵。最近的研究表明用含有巯基的小分子作为稳定剂来制备的光致发光铜簇具有更好的性能，实验证明用这些巯基小分子制备的铜簇合成方法简单、制备条件温和，尤其是它具有独特的聚集诱导发光增强的性质，并且它的这种性质可以对外界的刺激产生灵敏的响应，这使得其在分析传感中有着的优异的应用前景。
　　在本文中，尝试用不同的含有巯基的小分子化合物作为配体稳定剂合成铜纳米簇。通过配体的筛选、合成条件的优化，制备出了具有聚集诱导发光性质的铜纳米簇，并将其用于生物酶传感和有机溶剂中痕量水检测。通过一系列配体筛选，分别用青霉胺、4-甲基苯硫酚和3-巯基乙基三甲氧基硅烷作为配体，都成功地制备出了具有聚集诱导发光性质的红色发光的铜纳米簇。在此基础上，将具有聚集诱导发光性质的铜纳米簇用于构建分析传感平台，成功地实现了有机溶剂中超低含量的水的检测以及酸性磷酸酶和β-半乳糖苷酶活性的实时监测。以下为本文研究的主要内容:
　　(1)利用青霉胺既可以作为还原剂又可以作为稳定剂的特点，选择用青霉胺作为配体合成了具有聚集诱导发光性质的铜纳米簇。当改变pH或外界的温度时，铜纳米簇的发光是可逆转变的。在弱酸环境下，光致发光铜纳米簇对外界氧化物的刺激可以产生有效的响应，例如高氧化电势和常见的氧化试剂Fe3+、Ag+和H2O2。基于铜纳米簇独特的氧化还原的性质，建立了一种新的基于氧化还原反应的酸性磷酸酶的检测方法。用三价铁和焦磷酸根制备的焦磷酸铁复合物作为检测酸性磷酸酶的底物，因为该复合物具有较低的氧化性，所以对铜纳米簇的发光强度没有影响。由于复合物焦磷酸铁中的焦磷酸根可以被酸性磷酸酶快速的水解成磷酸根和游离的三价铁离子，具有强氧化性的三价铁离子可以和铜纳米簇聚集体发生氧化还原反应，使铜纳米簇中铜原子的化合价氧化为最高价，即+2价，从而猝灭铜纳米簇的发光强度。通过酸性磷酸酶活性和发光猝灭的关系，建立了一个定量检测酸性磷酸酶活性的方法。
　　(2)用一种简单的方法合成了4-甲基苯硫酚修饰的铜纳米簇，这种铜纳米簇具有聚集诱导发光的性质，并且通过控制疏水性构建了稳定性好、发光强度高的铜纳米簇聚集发光点。由于通常制备的铜纳米簇在中性或碱性环境中具有一定的亲水性，处于分散状态减弱了其发光性，为了克服这个问题，选用了以一种疏水性的配体4-甲基苯硫酚，同时以水合肼作为还原剂合成了疏水性铜纳米簇。铜纳米簇上稳定配体的疏水性使得它可能自组装成明亮的聚集诱导发光粒子，实验结果证实了这种粒子的优异的发光性质和稳定性。这种铜纳米簇聚集发光点在中性和碱性环境中都是稳定的，可以用于检测中性或碱性生理环境中的酶活性。首先利用疏水作用，将发光较弱的铜簇自组装成了发光强度高的铜纳米簇聚集发光点，然后选取4-硝基苯基-β-D-吡喃半乳糖苷作为β-半乳糖苷酶催化水解的底物，β-半乳糖苷酶可以将该底物快速催化水解为半乳糖和4-硝基苯酚，而4-硝基苯酚可以吸附在铜纳米簇聚集发光点附近进而有效的猝灭铜纳米簇聚集发光点的光致发光，在此基础上建立了一种实时性的检测β-半乳糖苷酶活性的方法。
　　(3)利用甲硅烷基修饰的铜纳米簇，通过键合诱导发光过程，实现了有机溶剂中痕量水的检测。该方法是一种发光信号打开的方式，并且操作简单以及所用的试剂也方便可取。首先，选取了3-巯基乙基三甲氧基硅烷作为稳定剂和还原剂，3-巯基乙基三甲氧基硅烷和硝酸铜在室温下的无水有机溶剂中进行反应，制备得到甲硅烷基修饰的铜纳米簇，实验结果表明制备的甲硅烷基修饰的铜纳米簇具有物理聚集诱导发光增强的性质。在此基础上，验证了铜纳米簇对有机溶剂中痕量水的检测性能，在加痕量水的过程时，铜纳米簇表面的甲硅烷基能够发生水解聚合反应，生成成键的铜纳米簇聚合物，使得其发光强度显著增强，研究结果表明，该检测策略对五种代表性的有机溶剂中的痕量水的检测有着优异的灵敏性。
　　综上所述，制备了一系列具有聚集诱导发光性能的铜纳米簇，并将其成功用于生物酶和痕量水的分析传感。首先，利用铜纳米簇易氧化的性质，成功实现了酸性磷酸酶的检测。其次，利用疏水作用力，构建了一种不受溶液中pH影响的铜纳米簇聚集发光点，并提供了一种在4-硝基苯酚的控制下监测β-半乳糖苷酶活性的方法。最后，制备了甲硅烷基修饰的铜纳米簇，利用铜纳米簇表面的甲硅烷基会发生水解聚合反应，从而生成键合诱导聚集的铜纳米簇，使得其发光强度显著增强，最终实现了有机溶剂中痕量水的灵敏检测。本文的研究工作不仅建立了一种基于聚集诱导发光机制的检测策略，还拓宽了铜纳米簇在生物分析中的应用，并提供一种检测水解酶的可靠和灵敏的方法。

目录

摘要

第一章绪论

1．2 CuNCs的合成

1．2．1模板稳定合成法

1．2．2配体稳定合成法

1．2．3电化学合成法

1．2．4蚀刻方法

1．2．5其他方法

1．3 CuNCs的发光性质

1．3．1金属核对发光性能的影响

1．3．2表面配体对发光性能的影响

1．3．3环境对发光性能的影响

1．3．4 CuNCs的稳定性

1．4发光CuNCs的应用

1．4．1生物成像

1．4．2光电子器件中的应用

1．5本论文研究内容及意义

第二章基于铜纳米簇以及可控氧化还原反应的多刺激响应的发光开关的构建及对酸性磷酸酶的检测

2．1前言

2．2实验部分

2．2．2实验试剂

2．2．3实验方法

2．3结果与讨论

2．3．1 CuNCs聚集体基于可逆的氧化还原反应检测酸性磷酸酶活性的机理

2．3．2 CuNCs的合成及各种表征

2．3．3基于pH和温度控制的聚集诱导发光的CuNCs发光开关

2．3．4疏水作用控制的CuNCs开关的机理研究

2．3．5酸性磷酸酶活性的实时监测

2．4本章小结

第三章基于聚集诱导发光原理构造稳定的光致发光铜纳米簇聚集发光点用于p．半乳糖苷酶活性的检测

3．1前言

3．2．1实验仪器

3．2．2实验试剂

3．2．3实验方法

3．3结果与讨论

3．3．1 4-甲基硫基苯酚修饰的CuNCs的制备与表征

3．3．2通过疏水作用力把CuNCs进行自组装为CuNCs聚集发光点

3．3．3 4-硝基苯酚通过疏水相互作用猝灭CuNCs聚集发光点的发光

3．3．4基于CuNCs聚集发光点的β-半乳糖苷酶活性的实时监测

3．4本章小结

第四章甲硅烷基修饰的具有成键诱导发光性质的铜纳米簇检测有机溶剂中痕量水

4．1前言

4．2实验部分

4．2．1实验仪器

4．2．3实验方法

4．3结果与讨论

4．3．1甲硅烷基修饰的CuNCs的合成与表征

4．3．2水解反应触发的甲硅烷基修饰的CuNCs成键诱导发光

4．3．3定量检测有机溶剂中的痕量水

4．4本章小结

第五章结论与展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

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