硫醇稳定金纳米簇的可控制备、发光性质及传感应用研究

摘要

聚集诱导发光性质（Aggregation-Induced Emission，AIE）近年来引起了人们的广泛关注。除了有机的AIE分子以外，人们发现由巯基小分子合成的金属纳米簇也具有相同的聚集诱导发光性质。这类金属纳米簇通常由金、银、铜作为核心元素，而且相对于有机染料和半导体量子点，金属纳米簇合成简单、水溶性良好、生物相容性优异、光学性能令人满意，这些优点使得该类金属纳米簇在生物成像和传感等领域中得到广泛应用。但是铜纳米簇的不稳定性和银纳米簇的低量子产率使得这两种金属纳米簇在应用上有极大的限制。相比于前两种金属纳米簇，金纳米簇显示出了它的优越性，如稳定性好、量子产率高、长波长荧光发射等等。由巯基小分子化合物合成的金纳米簇不仅可以作为稳定的荧光团使用，同时它还具有很独特的聚集诱导发光性质。其中，用于合成金纳米簇的巯基小分子化合物同时担任了还原剂和稳定剂的角色，由于金(Au)和硫(S)之间能够形成很好的Au-S键，因此非常适用于金纳米簇的合成。而且，相对于用生物大分子合成的金纳米簇，包括DNA寡核苷酸、蛋白质和多肽等等，这种具有聚集诱导发光性质的金纳米簇合成过程非常简单，不需要昂贵的仪器设备和复杂的操作要求，为该材料的实际应用提供了保障。现在对金纳米簇的研究主要集中在大分子合成及其在生物检测、成像中的应用，而对于金纳米簇的聚集诱导发光性能的研究及基于该性质的应用仍然处于初期阶段。
　　在本文中，我们提出了合成金纳米簇/配合物的方法，用于制备分别以硫辛酸、谷胱甘肽、二硫苏糖醇为稳定剂的金纳米簇/配合物。将硫辛酸稳定的金银纳米簇作为稳定的发光平台，用于检测酪氨酸酶的活性;用谷胱甘肽合成的金-谷胱甘肽配合物用于检测水中的铝形态;二硫苏糖醇稳定的金纳米簇用于检测分子氧。此外，我们还利用硅包裹的方法合成了高量子产率的金纳米颗粒。以下为本文研究的主要内容:
　　(1)在水溶液中，利用一步合成法制备金银纳米簇，并通过酰胺反应将多巴胺修饰到金银纳米簇表面从而得到基于金银纳米簇的酪氨酸酶探针。当体系中没有可以氧化多巴胺的物种时，该探针可以稳定的存在于近中性溶液中;然而当体系中存在氧气和酪氨酸酶时，酪氨酸酶能够使得多巴胺上的双酚结构氧化成双醌结构。多巴醌是非常强的电子受体，所以金银纳米簇与多巴醌之间能够发生光致电子转移过程(Photoinduced Electron Transfer，PET)，从而使得金银纳米簇的荧光猝灭。我们通过建立金银纳米簇的荧光信号变化和酪氨酸酶活性之间的关系，可以实现实时定量检测酪氨酸酶活性。该方法的检测限为13.5U/L，而通过这个研究也显示出金银纳米簇和多巴醌能够作为一个很好的电子给体/受体对。另外，这个基于金银纳米簇的方法也为检测酪氨酸酶活性提供了新的方法，同时也在与酪氨酸酶有关疾病的诊断中有很好的前景。
　　(2)利用谷胱甘肽作为还原剂和稳定剂用于合成具有聚集诱导发光性质的金-谷胱甘肽配合物。该配合物在中性条件下有很好的水溶性，并且荧光很弱。在这个工作中，首先研究了金-谷胱甘肽配合物的多刺激响应性能，包括:pH值响应、温度影响、溶剂效应和离子配位响应。我们开发了基于金-谷胱甘肽配合物的配位键合诱导发光效应的化学传感器用于检测两种铝形态，包括铝离子和铝聚合物(Al13)。在弱碱性条件下，利用巯基乙酸作为掩蔽剂，金-谷胱甘肽配合物能够实现对铝离子的高选择性检测;在酸性条件下，金-谷胱甘肽配合物能够实现对铝另外一种形态的超灵敏检测，即对铝的聚合物Al13的检测。这种金-谷胱甘肽配合物对两种物质的检测限分别为0.1μM和13.2nM。这个工作不仅对金-谷胱甘肽配合物的多刺激响应性质有了全面的研究，同时也开发了一种新的针对Al13的无损、简便的检测方法，在环境污染检测中取得了一定的进步。
　　(3)通过简单的一步合成法得到表面含有巯基的金纳米簇，并利用金在氧气存在的条件下催化巯基形成二硫键实现金纳米簇的键合聚集，用该策略对水中的溶解氧和空气中的气态氧进行了检测。在该项研究中，不仅实现了金纳米簇的聚集，并且研究对比了聚集方式对荧光信号的影响。实验证明，形成牢固化学键的过程比简单通过疏水作用的聚集过程在提高金纳米簇量子产率上更有效率。利用巯基修饰的金纳米簇的键合诱导发光性质实现对水中溶解氧的定量检测，该方法不仅信号变化方式是增强的形式，同时还实现在ppb级别上灵敏的检测氧气。我们还开发了基于该过程的氧气试纸，用于定性检测气态氧气。这项工作是用磷光探针检测氧气的开创新工作，也是键合诱导发光性质的实际应用。
　　(4)通过表面含有硅烷的金纳米簇实现表面刚化过程，从而得到高量子产率的金纳米簇。首先合成同时具有巯基和硅烷基团的表面配体，在无水条件下，制备表面含有硅烷基团的金纳米簇。向体系中加入水，使得表面的硅烷水解并在金纳米簇表面进行交联，得到被包裹的金纳米簇。另外，通过相同的水解过程，在包裹的金纳米簇表面进行了功能基团的修饰，使得该金纳米簇具有功能性，最终得到的巯基修饰的金纳米簇的量子效率可以达到19.78％。这种高量子产率的金纳米簇可以为后期开发灵敏的荧光探针奠定基础。
　　综上所述，我们首先利用金纳米簇稳定的光学性质开发了生物酶探针，成功实现对酪氨酸酶活性的实时检测。其次，对金纳米配合物特殊的聚集诱导发光效应进行多刺激响应研究，同时，利用金属离子配位作用实现金纳米配合物对铝的两种离子形态的灵敏检测。第三，开发了基于动态共价二硫键的形成用于检测分子氧的金纳米簇探针。利用二硫键的形成使得金纳米簇聚集从面磷光信号增强，并建立与氧气浓度之间的定量关系，同时开发氧气试纸用于定性检测气态氧。最后，利用金纳米簇表面配体的刚化过程实现金纳米簇量子产率的极大提高，合成了粒径小、水溶性好、量子产率高的金纳米簇。金纳米簇不仅能够作为稳定荧光团用于生物传感，同时也能利用其键合诱导发光机制实现对化学分子的检测。

目录

摘要

第一章绪论

1．1金纳米簇概述

1．2金纳米簇的发光性能

1．2．1粒径尺寸效应

1．2．2配体效应

1．2．3结构和电荷影响

1．3金纳米簇的合成方法

1．3．1模板制备法

1．3．2小分子还原法

1．3．3金纳米颗粒刻蚀法

1．4金纳米簇的应用

1．4．1金属离子的检测

1．4．2无机小分子和生物大分子检测

1．4．3生物标记及成像

1．5本论文研究内容及意义

参考文献

第二章功能化金／银纳米簇荧光探针的开发及其在酪氨酸酶活性检测中的应用

2．1前言

2．2实验部分

2．2．1实验仪器

2．2．2实验试剂

2．2．3实验方法

2．3结果与讨论

2．3．2多巴胺-金／银纳米簇的合成与表征

2．3．3酪氨酸酶催化下多巴胺-金／银纳米簇共轭体内的光诱导电子转移过程

2．3．4．酪氨酸酶活性的实时荧光测定

2．3．5．酪氨酸酶活性检测的选择性实验

2．4本章小结

参考文献

第三章金-谷胱甘肽配合物的配位键合诱导发光性质研究及在铝形态的检测中的应用

3．1前言

3．2实验部分

3．2．1实验仪器

3．2．2实验试剂

3．2．3实验方法

3．4结果与讨论

3．4．2 Au-GSH配合物的磷光多刺激响应

3．4．3铝离子对Au-GSH配合物的配位键合诱导发光过程

3．4．4基于配位BIE过程的铝聚合物AlO4Al12(OH)24(H2O)127+(Al13)的荧光打开检测法

3．5本章小结

参考文献

第四章基于巯基功能化金纳米簇的氧气触发键合诱导发光性质及其在氧气检测中的应用

4．1前言

4．2实验部分

4．2．1实验仪器

4．2．2实验试剂

4．2．3实验方法

4．3结果与讨论

4．3．1巯基功能化金纳米簇(AuNCs)的合成与表征

4．3．2巯基功能化金纳米簇(AuNCs)的聚集诱导发光性质

4．3．3金纳米簇键合诱导发光自组装体(AuNC-CBA)的表征

4．3．4聚集诱导发光过程(AIE)与键合诱导发光过程(BIE)的比较

4．3．5巯基功能化金纳米簇的氧化还原性质研究

4．3．6基于氧化还原BIE过程的磷光增强策略在氧气检测中的应用

4．3．7气态氧的定性检测及氧气试纸的开发

4．4本章小结

参考文献

第五章基于键合诱导发光过程的高量子产率金纳米点的制备

5．1前言

5．2实验部分

5．2．1实验仪器

5．2．2实验试剂

5．2．3实验方法

5．3结果与讨论

5．3．1硅烷功能化金纳米簇(AuNCs)的合成与表征

5．3．2硅烷功能化的金纳米簇的刚化过程

5．3．3基于金纳米簇的BIE点的修饰及表征

5．4本章小结

参考文献

第六章结论与展望

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

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