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量子點(diǎn)和金簇納米傳感器制備及在藥物檢測中的應(yīng)用研究

發(fā)布時(shí)間:2018-08-27 06:36
【摘要】:納米傳感器以其優(yōu)異的光學(xué)性能以及出色的靈敏度,被廣泛應(yīng)用于化學(xué)、食品科學(xué)、臨床醫(yī)療診斷、環(huán)境和醫(yī)藥科學(xué)等領(lǐng)域。納米材料的選擇對于傳感器的靈敏度、特異性和穩(wěn)定性等性能的影響至關(guān)重要,應(yīng)用新型納米材料(量子點(diǎn)和金納米簇)與傳感器相組合,構(gòu)建特異性好和靈敏度高的納米傳感器,用于環(huán)境、農(nóng)產(chǎn)品和中藥材中農(nóng)藥殘留快速檢測以及臨床重要藥物分子的靈敏監(jiān)測,不僅可推動(dòng)納米技術(shù)在人類科技發(fā)展史上的飛躍進(jìn)步,更開拓了科研工作者的新思路。目前,農(nóng)藥百草枯、抗凝血藥肝素、胰蛋白酶和葉酸等藥物分子或蛋白質(zhì)的檢測方法種類繁多,如色譜技術(shù)、電化學(xué)法和酶聯(lián)免疫法等,但這些方法在使用中或者易受實(shí)際樣品其他成分的干擾、不易提取分析,或者檢測步驟繁多、檢測時(shí)間較長,或者穩(wěn)定性較差、檢測靈敏度偏低,或者檢測費(fèi)用昂貴、實(shí)際應(yīng)用復(fù)雜。隨著人類生活水平的不斷提升,以及科學(xué)研究的層層深入,人們逐漸意識到環(huán)境安全、食品安全以及臨床用藥安全對人體健康的重要性,因此研究者迫切需要研制一些操作簡便、檢測快速、成本低廉、靈敏度較好的納米傳感器,用以方便快速檢測與人類健康密切相關(guān)的農(nóng)藥分子,臨床重要藥物分子及重要蛋白質(zhì)分子,以滿足環(huán)境、食品安全評價(jià)和臨床用藥安全指南,從而為我國農(nóng)產(chǎn)品和生藥產(chǎn)業(yè)的快速安全發(fā)展及國際化走向奠定良好基礎(chǔ),也為臨床用藥和某些疾病快速診斷提供一定的參考價(jià)值,更為人類身體健康和生活質(zhì)量指數(shù)提供可靠的評價(jià)指標(biāo)。鑒于以上研究需求,本文基于量子點(diǎn)和金納米顆粒的優(yōu)良光學(xué)性能、高靈敏度和高選擇性等優(yōu)點(diǎn),結(jié)合環(huán)境問題、農(nóng)產(chǎn)品和生藥生產(chǎn)中農(nóng)藥殘留問題以及臨床藥物需求和檢驗(yàn)等實(shí)際現(xiàn)狀,針對一些重要的藥物靶標(biāo)分子,設(shè)計(jì)組裝了一系列熒光納米傳感器,用以快速檢測分析環(huán)境、農(nóng)產(chǎn)品和藥用植物中殘留農(nóng)藥百草枯、臨床抗凝血藥肝素、葉酸以及胰蛋白酶,為建立農(nóng)藥殘留檢測和臨床藥物監(jiān)測平臺提供新思路。本文取得如下主要進(jìn)展:第一章,我們綜述了量子點(diǎn)和金屬納米簇的制備及兩者在環(huán)境和農(nóng)業(yè)污染物、蛋白質(zhì)分析、生物成像等研究領(lǐng)域的應(yīng)用情況,并闡述了本論文的研究意義和主要內(nèi)容。第二章,為實(shí)現(xiàn)快速檢測和篩查環(huán)境、農(nóng)產(chǎn)品和藥用植物樣品中殘留農(nóng)藥百草枯,我們應(yīng)用光學(xué)性能良好的Cd S量子點(diǎn)作為熒光納米材料建立簡易靈敏檢測百草枯的傳感器。本章主要以谷胱甘肽為模板和保護(hù)劑,通過優(yōu)化合成條件,實(shí)現(xiàn)在15min內(nèi)快速合成水溶性的Cd S量子點(diǎn)。根據(jù)百草枯作為陽離子鹽的特點(diǎn),可依賴電子轉(zhuǎn)移作用高效地猝滅GSH-Cd S量子點(diǎn)的熒光,從而根據(jù)熒光強(qiáng)度的變化實(shí)現(xiàn)對環(huán)境樣品、農(nóng)業(yè)樣品和藥用植物樣品中百草枯的快速檢測。此方法,檢測百草枯的線性范圍在0.025-1.50μg m L-1,與傳統(tǒng)檢測百草枯的方法相比,無需昂貴的酶或抗體等試劑,成本較低,而且具備較低的檢測限(0.01μg m L-1)。該方法為環(huán)境、農(nóng)產(chǎn)品和中藥材中農(nóng)藥百草枯殘留的特異檢測提供一定的技術(shù)支持和可靠依據(jù)。第三章,為有效避免血液中蛋白質(zhì)和離子等干擾物對抗凝血藥肝素實(shí)時(shí)監(jiān)測和檢測的影響,我們構(gòu)建了一個(gè)新穎的熒光“猝滅-恢復(fù)”納米傳感器,實(shí)現(xiàn)對肝素的高選擇性快速檢測。本章應(yīng)用牛血清白蛋白(BSA)即作為模板物又充當(dāng)保護(hù)劑來制備水溶性BSA-Cd S量子點(diǎn),該量子點(diǎn)與金納米粒子Au NPs會發(fā)生內(nèi)濾作用從而造成BSA-Cd S熒光發(fā)生顯著猝滅現(xiàn)象。魚精蛋白可誘導(dǎo)金納米粒子(Au NPs)團(tuán)聚,結(jié)果引起了Au NPs吸收光譜發(fā)生明顯改變,并伴隨著溶液體系熒光恢復(fù)。由于肝素與魚精蛋白通過靜電作用優(yōu)先結(jié)合,使得魚精蛋白遠(yuǎn)離金納米粒子,造成熒光內(nèi)濾作用變強(qiáng),從而導(dǎo)致體系熒光信號再次變化,以此來檢測肝素含量,并在此基礎(chǔ)上定量檢測了實(shí)際樣品血樣中的肝素含量。此方法與傳統(tǒng)方法相比,可有效屏蔽血液中常見蛋白、氨基酸和陽離子的干擾,特異快速檢測其中的抗凝血藥肝素的含量,此方法具有較高的靈敏度,檢測限性范圍是10-300 ng m L-1,最低檢測限是2.2 ng m L-1。此方法的建立為臨床密切監(jiān)測和定量檢測抗凝血藥肝素在血清中的含量及其臨床使用量具有一定的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。第四章,為快速檢測人體尿液樣品中的胰蛋白酶含量,為胰腺疾病診斷提供一定的依據(jù),我們利用熒光金簇(GSH-Au NCs)構(gòu)建了一種簡單、靈敏且無標(biāo)記的熒光納米傳感器,用于胰蛋白酶的快速檢測。在本章主要根據(jù)細(xì)胞色素C具有強(qiáng)烈的吸電子作用,當(dāng)與金納米簇接觸,即可有效的猝滅其熒光的原理。當(dāng)體系內(nèi)存在胰蛋白酶時(shí),胰蛋白酶可催化水解細(xì)胞色素C(Cyt C),造成熒光恢復(fù)。所以,通過該體系熒光強(qiáng)度變化來快速測試胰蛋白酶的活性。此方法具有很好的選擇性和抗干擾能力,而且快速簡便,檢測線性范圍是0.001-0.2 mg m L-1,最低檢測限為0.3μg m L-1,可用于實(shí)際尿液樣品中胰蛋白酶含量的有效測定。為臨床上胰蛋白酶的檢測和分析提供一定技術(shù)平臺。第五章,為安全有效檢測影響胎兒發(fā)育的重要物質(zhì)葉酸的含量,我們聯(lián)合應(yīng)用表面修飾的金納米粒子(cyst-Au NPs)和金納米簇(BSA-Au NCs)構(gòu)建了一種新穎、選擇性好且無標(biāo)記的葉酸納米傳感器。本章基于金納米顆粒通過表面等離子體共振能量轉(zhuǎn)移作用猝滅金簇?zé)晒獾脑?向體系內(nèi)加入葉酸后,葉酸可誘發(fā)金納米粒子團(tuán)聚,引起其紫外吸收峰發(fā)生紅移,從而造成金納米粒子(cyst-Au NPs)和金納米簇(BSA-Au NCs)之間表面等離子體共振能量轉(zhuǎn)移作用明顯變?nèi)?導(dǎo)致體系熒光信號變化,從而實(shí)現(xiàn)葉酸的快速檢測。本方案不僅選擇性好,而且具有吸光度和熒光雙信號輸出的功能,一方面可通過溶液顏色變化對葉酸進(jìn)行半定量檢測,更重要的是,可通過熒光方法準(zhǔn)確測定血液中葉酸的含量。該方法檢測葉酸的線性范圍是0.11-2.27μmol L-1,最低檢測限為0.065μmol L-1。本文通過以上五部分工作,設(shè)計(jì)制備了系列重要的識別不同靶標(biāo)藥物的量子點(diǎn)或金簇納米傳感器,并對這些傳感器進(jìn)行系統(tǒng)性的功能評價(jià),從而在實(shí)際樣品中包括環(huán)境樣品、農(nóng)業(yè)樣品和藥用植物樣品中,人體血樣和尿樣中,實(shí)現(xiàn)各類藥物和蛋白分子的快速靈敏檢測。這類傳感器的使用將有效縮短檢測時(shí)間,提高檢測靈敏度,降低檢測成本,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜樣品中目標(biāo)物的特異性檢測,具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。這不僅為臨床藥物和蛋白質(zhì)的快速靈敏檢測提供可行方案和可靠依據(jù),更為深入廣泛地研究新型納米材料的多種功能提供一定的新思路和方向。
[Abstract]:Nano-sensors are widely used in the fields of chemistry, food science, clinical diagnosis, environment and medicine because of their excellent optical properties and sensitivity. The selection of nano-materials is very important to the sensitivity, specificity and stability of the sensors. New nano-materials (quantum dots and Ginna) are used. Combining with sensors, nano-sensors with high specificity and sensitivity can be constructed for rapid detection of pesticide residues in environment, agricultural products and traditional Chinese medicines, and sensitive monitoring of clinical important drug molecules. It can not only promote the rapid development of nanotechnology in the history of human science and technology, but also open up new ideas for researchers. At present, there are many kinds of detection methods for pesticide paraquat, anticoagulant heparin, trypsin and folic acid, such as chromatography, electrochemical method and enzyme-linked immunosorbent assay, but these methods are easy to be interfered by other components of the actual sample, difficult to extract and analyze, or a variety of detection steps, detection time, etc. With the continuous improvement of human living standards and the deepening of scientific research, people gradually realize the importance of environmental safety, food safety and clinical drug safety to human health, so researchers urgently need to study. Preparation of nano-sensors with simple operation, rapid detection, low cost and good sensitivity for rapid detection of pesticide molecules, clinical important drug molecules and important protein molecules closely related to human health in order to meet the environmental, food safety assessment and clinical drug safety guidelines, thus for China's agricultural products and pharmaceutical industry The rapid and safe development and the trend of internationalization have laid a good foundation for clinical medicine and rapid diagnosis of some diseases, and also provide a reliable evaluation index for human health and quality of life index. Considering the environmental problems, pesticide residues in agricultural products and raw medicines, clinical drug requirements and testing, a series of fluorescent nano-sensors were designed and assembled for the rapid detection and analysis of pesticide residues in environment, agricultural products and medicinal plants. Paraquat, clinical anticoagulants heparin, folic acid, and trypsin provide new ideas for the establishment of pesticide residue detection and clinical drug monitoring platforms. The following major advances have been made in this paper: In the first chapter, we reviewed the preparation of quantum dots and metal nanoclusters, and their applications in environmental and agricultural pollutants, protein analysis, bioimaging and other research areas. In the second chapter, in order to achieve rapid detection and screening of paraquat in the environment, agricultural products and medicinal plant samples, we use Cd S quantum dots with good optical properties as fluorescent nanomaterials to establish a simple and sensitive sensor for the detection of paraquat. The water-soluble Cd S quantum dots can be synthesized rapidly in 15 minutes by optimizing the synthesis conditions with glutathione as template and protectant. According to the characteristics of paraquat as cationic salt, the fluorescence of GSH-Cd S quantum dots can be quenched efficiently by electron transfer, and the fluorescence intensity of environmental and agricultural samples can be changed according to the fluorescence intensity. This method can be used to detect paraquat in the range of 0.025-1.50 UG m L-1. Compared with the traditional method, it does not need expensive enzymes or antibodies and other reagents. The cost is lower and the detection limit is lower (0.01 UG m L-1). This method is suitable for environment, agricultural products and Chinese herbal medicines. In Chapter 3, a novel fluorescent "quenching-recovery" nanosensor was constructed to effectively avoid the influence of protein and ion in blood on the real-time monitoring and detection of anticoagulant heparin. In this chapter, bovine serum albumin (BSA) was used as both a template and a protectant to prepare water-soluble BSA-Cd S quantum dots. The quantum dots interacted with gold nanoparticles Au NPs, resulting in significant quenching of BSA-Cd S fluorescence. Protamine could induce agglomeration of gold nanoparticles (Au NPs), resulting in absorption of Au NPs. Because heparin and protamine bind preferentially through electrostatic interaction, protamine is far away from gold nanoparticles, and the fluorescence internal filtration is strengthened, which leads to the fluorescence signal change again, so as to detect the content of heparin, and on this basis, the quantitative detection of the real protamine is carried out. Compared with the traditional method, this method can effectively shield the interference of common proteins, amino acids and cations in blood and detect the content of anticoagulant heparin rapidly. This method has high sensitivity. The detection limit is 10-300 ng m L-1 and the minimum detection limit is 2.2 ng m L-1. In the fourth chapter, we constructed a fluorescent gold cluster (GSH-Au NCs) to detect the trypsin content in human urine samples and provide a basis for the diagnosis of pancreatic diseases. A simple, sensitive and unmarked fluorescent nanosensor was developed for the rapid detection of trypsin. In this chapter, the fluorescence of cytochrome C was effectively quenched by contact with gold nanoclusters due to the strong electron absorption of cytochrome C. When trypsin was present in the system, trypsin could catalyze the hydrolysis of cytochrome. C (Cyt C), resulting in fluorescence recovery. Therefore, the fluorescence intensity of the system changes to quickly test the activity of trypsin. This method has good selectivity and anti-interference ability, and fast and simple, detection linear range is 0.001-0.2 mg m L-1, the minimum detection limit is 0.3 UG m L-1, can be used for the actual urine samples of trypsin content. In the fifth chapter, we constructed a novel, selective and label-free gold nanoparticles (cyst-Au NPs) and gold nanoclusters (BSA-Au NCs) for the safe and effective detection of folic acid, an important substance affecting fetal development. Folic acid nanosensors. Based on the principle that gold nanoparticles quench the fluorescence of gold clusters by surface plasmon resonance energy transfer, folic acid can induce the agglomeration of gold nanoparticles and cause the red shift of their ultraviolet absorption peaks, resulting in the formation of gold nanoparticles (cyst-Au NPs) and gold nanoclusters (BSA-Au NCs). This scheme not only has good selectivity, but also has the function of absorbance and fluorescence dual-signal output. On the one hand, it can detect folic acid semi-quantitatively by changing the color of the solution. More importantly, it can detect folic acid semi-quantitatively by changing the color of the solution. The fluorescence method can accurately determine the content of folic acid in blood. The linear range of the method is 0.11-2.27 micromol L-1 and the minimum detection limit is 0.065 micromol L-1. In this paper, a series of important quantum dots or gold cluster nano-sensors for identifying different target drugs are designed and fabricated. The application of this kind of sensor will shorten the detection time, improve the detection sensitivity, reduce the detection cost and achieve the target in complex samples. The detection of the specificity of the substance has potential application value, which not only provides a feasible scheme and reliable basis for the rapid and sensitive detection of clinical drugs and proteins, but also provides a new idea and direction for the further and extensive study of the multiple functions of new nanomaterials.
【學(xué)位授予單位】:吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】:博士
【學(xué)位授予年份】:2016
【分類號】:TP212.3;R927

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本文編號:2206430

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