金纳米颗粒类酶活性的研究及选择性模拟酶的构建

论文摘要

自阎锡蕴教授提出纳米级的Fe304具有模拟酶活性后,四十多种纳米材料被发现具有各种类酶活性,已经成为国际研究热点,并且在生物医学、环境保护及工业生产等领域均有着重要的应用。其中金纳米颗粒是一种极具研究与应用潜力的材料,已被发现具有类氧化酶、类过氧化物酶、类过氧化氢酶、类超氧化物歧化酶等多重酶活性。而如何提升其催化活性与底物选择性是目前金纳米材料类酶活性研究中的瓶颈与重点,同时业界也期待能够基于金纳米颗粒的优越特性建立更好的应用。本文制备了 5-60 nm单分散性良好的球形金纳米颗粒,通过尺寸、结构和元素组成三方面调控增强其活化H202及02进而氧化底物的能力,并对其增强的类酶活性加以应用。在对球形金纳米颗粒类过氧化物酶研究的基础上,将金纳米颗粒与利妥昔单抗（Rituximab）偶联构建探针,用于标记恶性淋巴瘤Raji细胞表面过表达的细胞分化抗原20（CD20）。一方面金纳米颗粒在暗场下可以发出强烈的散射光,另一方面,金纳米颗粒可以催化双氧水氧化3,3’-二氨基联苯胺（DAB）对Raji细胞进行染色,从而同时实现对肿瘤细胞的明暗场双模式显微成像。在此过程中,DAB氧化产物被发现具有比金纳米颗粒本身更为优越的暗场散射能力,本文进而将这一发现与传统免疫组化结合,实现了对经传统免疫组化DAB染色的恶性淋巴瘤组织切片的暗场显微成像。金属模拟酶方面现有的研究大多集中于催化活性、催化机理及在生物医学、环境保护、农业生产等方面的应用,而如何构建金属模拟酶的底物选择性,以及进一步提升其催化活性,仍是这一领域研究中的瓶颈。本文系统研究了金纳米颗粒作为类葡萄糖氧化酶的机制,确认了金纳米颗粒催化葡萄糖氧化的过程中消耗氧气,并产生过氧化氢与葡萄糖酸。基于对金纳米颗粒类葡萄糖氧化酶活性的研究,本文引入氨基苯硼酸和分子印迹技术构建了基于金纳米颗粒的选择性模拟酶（MIP）。一方面,氨基苯硼酸能够与糖类分子邻位羟基结合,通过在聚苯乙烯微球负载的金纳米颗粒表面修饰氨基苯硼酸可以实现对底物亲和力的提升;另一方面,氨基苯硼酸能够由过硫酸铵诱导聚集成大分子网状结构,以葡萄糖作为模板分子,在金纳米颗粒表面的构建具有葡萄糖分子特异性结合位点的分子印迹壳层。该方法不仅成功实现了底物选择性,还通过提高对底物的亲和力将催化效率提升了 127倍。在此基础上,本文又在该选择性模拟酶中加入全氟溴辛烷（PFOB）纳米乳作为氧供给池构建PFOB-MIP,进一步将催化效率提升至270倍。单个5000 U/mg的天然葡萄糖氧化酶分子的催化常数约为1.25× 10-4 s-1,而单个MIP和PFOB-MIP可分别达到5.87×105 s-1和8.14× 105 s-1。将该基于金纳米颗粒的选择性模拟酶用于市售饮料中葡萄糖的液相显色法检测中,获得了和天然酶可比的检测结果。此外,本文还利用该基于金纳米颗粒的选择性模拟酶进行了血糖的检测,通过液相显色法和电化学试纸均可在在血糖常见区间1-50 mM的样本上获得良好的线性检测结果。为进一步提升金纳米颗粒的催化活性,本文尝试在金纳米颗粒的基础上复合其他贵金属元素。首先制备不同比例与结构的金银铂复合纳米材料,筛选出类葡萄糖氧化酶活性最高的金铂合金纳米颗粒进行后续研究。其后,通过研究不同复合比例的10 nm左右的金铂合金纳米颗粒（AuPtNPs）的类葡萄糖氧化酶活性,发现相近尺寸下AuPtNPs的催化活性随铂复合比例的提高而增加,但相同还原条件下AuPtNPs的粒径也会随铂复合比例的提高而增大,在元素组成和颗粒尺寸双重影响下,金铂摩尔比为1:1的AuPtNPs表现出最强的类葡萄糖氧化酶催化活性。此外,在对AuPtNPs类过氧化物酶与类过氧化氢酶活性的研究中发现,同样的pH下,当金比例较高时AuPtNPs倾向于表现为类过氧化氢酶活性,而铂比例较高时倾向于表现为类过氧化物酶活性。在对AuPtNPs类葡萄糖氧化酶活性研究的基础上,本文选择活性最优的AuPtNPs,以磁性微球作为载体构建易于磁分离的磁性选择性模拟酶,单个磁性选择性模拟酶催化常数可达到1.42×106s-1,重复使用3次后回收率可达到95.55%,催化效率约保留93.31%。综上,本文通过利用尺寸控制、分子印迹、元素复合等方法和策略,得到了能用于恶性淋巴瘤和葡萄糖体外检测的高性能金纳米酶,并阐释了这些调控方案与催化性能之间的关系。研究得出的重要结论是金纳米颗粒的类过氧化物酶、类葡萄糖氧化酶活性随粒径缩小而提高,分子印迹壳层的构筑可以提高底物选择性,同时也带来催化活性一定程度上的提升,可控的银和铂复合可以提高金纳米酶催化效率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 专业术语注释表
• 第一章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 酶学的研究与应用
•     1.2.1 酶的历史与研究现状
•     1.2.2 辣根过氧化物酶的研究与应用
•     1.2.3 葡萄糖氧化酶的研究与应用
•   1.3 纳米酶的研究现状
•     1.3.1 常见具有类酶活性的纳米材料
•     1.3.2 纳米酶活性的调控
•     1.3.3 纳米酶的局限与挑战
•     1.3.4 模拟酶的底物选择性研究
•   1.4 金基纳米材料的合成与性质研究
•     1.4.1 水溶性金纳米材料及其合成研究
•     1.4.2 金基纳米材料的类酶活性研究
•     1.4.3 金纳米颗粒的暗场散射特性
•   1.5 研究思路及主要内容
•   参考文献
• 第二章 金纳米颗粒的合成与表征
•   2.1 引言
•   2.2 实验材料与仪器
•     2.2.1 实验试剂
•     2.2.2 实验仪器
•   2.3 实验部分
•     2.3.1 柠檬酸三钠-鞣酸改良法制备小尺寸金纳米颗粒
•     2.3.2 动力学控制的种子生长法制备大尺寸金纳米颗粒
•     2.3.3 不同尺寸金纳米颗粒的表征
•   2.4 结果与讨论
•   2.5 本章小结
•   参考文献
• 第三章 金纳米颗粒类过氧化物酶活性研究及在恶性淋巴瘤免疫组化检测中的应用
•   3.1 引言
•   3.2 实验材料与仪器
•     3.2.1 实验试剂
•     3.2.2 实验仪器
•   3.3 实验部分
•     3.3.1 不同粒径金纳米颗粒类过氧化物酶活性研究
•     3.3.2 基于金纳米颗粒暗场散射特性与类过氧化物酶活性的恶性淋巴瘤细胞双模式成像
•     3.3.3 基于DAB氧化产物暗场散射特性的恶性淋巴瘤组织切片暗场显微成像
•   3.4 结果与讨论
•     3.4.1 金纳米颗粒的类过氧化物酶活性的尺寸依赖性
•     3.4.2 利妥昔单抗修饰的金纳米探针的构建及表征
•     3.4.3 基于金纳米颗粒暗场散射特性的恶性淋巴瘤细胞双模式显微成像
•     3.4.4 基于金纳米颗粒类过氧化物酶活性的恶性淋巴瘤细胞双模式显微成像
•     3.4.5 基于DAB氧化产物暗场散射特性的恶性淋巴瘤组织切片暗场显微成像
•   3.5 本章小结
•   参考文献
• 第四章 金纳米颗粒类葡萄糖氧化酶活性研究及选择性模拟酶的构建与应用
•   4.1 引言
•   4.2 实验材料与仪器
•     4.2.1 实验试剂
•     4.2.2 实验仪器
•   4.3 实验部分
•     4.3.1 金纳米颗粒的类葡萄糖氧化酶活性研究
•     4.3.2 基于金纳米颗粒的选择性模拟酶的合成与表征
•     4.3.3 基于金纳米颗粒的选择性模拟酶催化能力研究
•     4.3.4 基于金纳米颗粒的选择性模拟酶的检测应用
•   4.4 结果与讨论
•     4.4.1 金纳米颗粒的类葡萄糖氧化酶活性研究
•     4.4.2 基于金纳米颗粒的选择性模拟酶的合成与表征
•     4.4.3 基于金纳米颗粒的选择性模拟酶类葡萄糖氧化酶活性研究
•     4.4.4 基于金纳米颗粒的选择性模拟酶的检测应用
•   4.5 本章小结
•   参考文献
• 第五章 银铂复合对金纳米颗粒类酶活性的提升与磁性选择性模拟酶的构建
•   5.1 引言
•   5.2 实验材料与仪器
•     5.2.1 实验试剂
•     5.2.2 实验仪器
•   5.3 实验部分
•     5.3.1 金银铂复合纳米颗粒的合成与类葡萄糖氧化酶活性研究
•     5.3.2 金铂合金纳米颗粒的类过氧化物酶与类过氧化氢酶活性研究
•     5.3.3 基于金铂合金的磁性选择性模拟酶的合成与表征
•     5.3.4 基于金铂合金的磁性选择性模拟酶催化能力研究与应用
•   5.4 结果与讨论
•     5.4.1 银、铂复合方式对金纳米颗粒类葡萄糖氧化酶活性提升的研究
•     5.4.2 金铂合金纳米颗粒类过氧化物酶与类过氧化氢酶活性研究
•     5.4.3 基于金铂合金的磁性选择性模拟酶的合成与表征
•     5.4.4 基于金铂合金的磁性选择性模拟酶催化能力研究与应用
•   5.5 本章小结
•   参考文献
• 第六章 总结与展望
•   6.1 论文总结
•   6.2 论文创新点
•   6.3 论文展望
• 博士期间发表论文
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 范霖

导师: 张宇

关键词: 金纳米颗粒,模拟酶,暗场显微成像,分子印迹,底物选择性,金铂合金纳米颗粒

来源: 东南大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 生物学

单位: 东南大学

基金: 国家自然科学基金(No.81571806,81671820),国家重点研发计划(No.2017YFA0205502)

分类号: Q55

DOI: 10.27014/d.cnki.gdnau.2019.001913

总页数: 125

文件大小: 8063K

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