新型纳米传感体系的构建及分析应用

21世纪的第一个十年被称为“传感的十载”。功能纳米材料为灵敏的光学传感器制备提供了卓越的平台。这方面的大多数工作主要聚焦于不同纳米材料的表面功能化,包括物理吸附、静电结合、特异性识别或共价键合等方式。本论文旨在发展纳米功能材料表面化学的简便调控方法,构建半导体量子点和贵金属纳米粒子的光学传感体系,并应用于生物小分子和重金属离子的识别和检测。主要研究内容如下： (1)基于Mn2+对CdTe量子点的猝灭作用及其与抗坏血酸的强配位作用,发展了一种基于量子点的荧光“开关”探针检测抗坏血酸的新方法。以巯基丙酸(MPA)为稳定剂水相合成了高荧光CdTe量子点。向量子点溶液中加入Mn2+,由于量子点表面状态发生改变而荧光猝灭。抗坏血酸存在时,Mn2+与抗坏血酸强配位结合使得Mn2+离开量子点表面,量子点荧光又得以恢复,且荧光恢复程度与抗坏血酸的浓度线性相关,从而实现对抗坏血酸的检测。该方法避免了对量子点进行复杂的表面修饰和固定化,操作简便快速。在优化实验条件下,检测抗坏血酸的线性范围为0.25-16μM,检出限为36nM,相对标准偏差为2.5%(10μM,n=11)。该探针可用于维生素C药片和人血浆中抗坏血酸的快速、灵敏和选择性检测,回收率为101%-107%。 (2)将金纳米粒子(AuNPs)与Fenton试剂相结合,建立了一种比色法可视化检测抗坏血酸的新型传感方法。柠檬酸钠包被的AuNPs在盐存在条件下易聚集,而单链DNA (single strand DNA, ssDNA)可通过非交联聚集方式吸附在AuNPs表面,避免AuNPs发生聚集。Fe2+和H202发生Fenton反应生成的羟基自由基(·OH)使ssDNA裂解,导致AuNPs在盐存在下发生聚集。抗坏血酸作为一种抗氧化剂,可以有效清除Fenton反应生成的-OH,由此利用不同浓度抗坏血酸对@OH清除量的不同,建立了新型比色法可视化检测抗坏血酸的方法。AuNPs在670nm和520nm处的可见吸光度的比值(A670/A520)与抗坏血酸的浓度线性相关,其线性范围为1-15μM,检出限(3σ)为0.3μM,相对标准偏差为2.8%(10μM,n=11)。该探针避免了对AuNPs进行复杂的表面修饰,操作简单快速,可实现抗坏血酸的吸收光谱和肉眼可视化的同时检测,并且为其它抗氧化剂(如L-半胱氨酸,谷胱甘肽)的检测打下了基础。此外,基于Fenton试剂和ssDNA-AuNPs构成的传感体系,以生物小分子(抗坏血酸、L-半胱氨酸和谷胱甘肽)为输入信号,以AuNPs溶液的颜色和吸光度的变化为输出信号,成功构建了INHIBIT和NOR两种类型的分子逻辑门。 (3)首次将Fenton反应与DNA为模板的银纳米簇(DNA-AgNCs)相结合实现了多种目标分析物(Cu2+、抗坏血酸和H2O2)的同时检测。Cu2+可以与DNA的磷酸骨架和碱基结合,改变DNA模板的结构,促使纳米簇荧光增强。继续加入还原剂抗坏血酸时,Cu2+还原成铜单质,形成以DNA为模板的银铜双簇,进一步提高纳米簇的荧光强度。向溶液中同时加入Cu2+和抗坏血酸时,Fenton反应形成的羟基自由基(·OH)可以断裂DNA模板,导致荧光猝灭。由此建立了一种基于DNA-AgNCs的“开关”探针可同时检测Cu2+、抗坏血酸和H2O2的新方法。该探针基于一种化学反应与纳米探针相结合,可实现多个目标分析物的灵敏检测,操作简单快速。在优化实验条件下,该探针对Cu2+和抗坏血酸的检出限分别为3nM和7nM。此外,以Cu2+、抗坏血酸和H2O2作为输入信号,以DNA-Ag NCs荧光变化比值作为输出信号,成功构建了AND型和三元型分子逻辑门。 (4)构建了基于DNA-Cu/Ag NCs-抗坏血酸复合体系的高选择性和高灵敏度荧光检测H2O2的非标记(label-free)型荧光探针。以DNA为模板合成了荧光强度高的铜掺杂DNA-Cu/Ag NCs,在还原剂抗坏血酸存在下,H2O2可以与其发生有氧氧化生成羟基自由基(-OH),使纳米簇的DNA模板断裂,导致荧光猝灭,且荧光猝灭程度与H2O2浓度线性相关,从而实现对H2O2的检测。与DNA-Ag NCs检测H2O2相比,该方法的检测灵敏度显著提高。在优化的实验条件下,该方法检测H2O2的线性范围为1-50μM,检出限为0.3μM,相对标准偏差为3.7%(10μM,n=11)。