纳米沸石与生物分子的相互作用研究及其在生物传感方面的应用

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纳米沸石具有大的外表面积,丰富的表面作用位点以及可以进行多重调变的特点,近年来被广泛的应用于生命科学领域的研究。大量的实验研究已经表明纳米沸石类材料可以将大量的,多种的生物分子吸附在其表面并保持其相应的活性,因而在生物分离,生物检测以及生物催化与传感等前沿领域有着广泛的应用。另外我们的研究还发现纳米沸石自身的性质(如形貌,尺寸和硅铝比)会对利用纳米沸石吸附生物分子以及后续利用产生影响。显然,造成这一现象的原因是由于不同的纳米沸石表面对生物分子有着不同的相互作用。因此,为了更加合理的将纳米沸石材料应用于生物检测等前沿领域并最终实现对纳米沸石材料的“定向的”表面设计与控制,就非常有必要去研究纳米沸石如何对生物分子进行吸附,吸附的相互作用的本质,以及这些相互作用如何影响吸附在材料表面上的生物分子的结构与性质等一些更为基础的课题。因此,本论文的研究目的在于利用不同尺寸、形貌和硅铝比的纳米沸石和模型蛋白,来系统研究蛋白质分子在不同纳米沸石表面的吸附行为以及其与纳米沸石之间的相互作用,总结其中规律并进行初步应用。 本文首先利用外标法,使用紫外可见分光光度计研究了各种蛋白质分子在不同纳米沸石表面上的吸附量。一方面,我们改变纳米沸石的性质,包括改变纳米沸石的种类、尺寸、表面形貌以及化学组成(硅铝比);另一方面,我们选用不同性质的蛋白质,包括不同等电点、分子量以及形貌的蛋白质,系统的研究了不同纳米沸石对蛋白质的吸附量的变化,总结出初步的吸附规律。结果表明:(1)纳米沸石的尺寸越小,吸附量越大;(2)纳米沸石的硅铝比越低,吸附量越大;(3)尺寸效应比硅铝比效应对蛋白吸附量影响显著。(4)分子量大的蛋白质吸附摩尔数较小。此外,通过改变吸附的条件,如改变吸附体系的,pH,来分析和验证纳米沸石粒子与蛋白质分子之间的静电相互作用模型。 本文还利用各种表征手段详细研究了多种蛋白质吸附在纳米沸石表面后其构象规律。我们选用具有不同“光谱活性”的蛋白质,包括细胞色素c(Cytochrome-c),肌红蛋白(Myoglobin),血红蛋白(Hemoglobin)(具有紫外可见吸收活性),牛血清白蛋白(Bovine Serum Albumin)(具有荧光活性),采用紫外可见吸收光谱法(UV-visible),荧光光谱法Fluorescence),再结合红外光谱法(FTIR),分别研究了这些吸附在不同纳米沸石表面上的蛋白质的活性中心,内源荧光环境以及二级结构的变化,进而总结出纳米沸石与蛋白质物理相互作用的初步规律。我们发现:纳米沸石的尺寸越大,硅铝比越低,沸石与蛋白质之间的相互作用就越强,其中尺寸效应比硅铝比效应显著。此外,通过纳米沸石对蛋白质吸附结构变化的滴定实验,我们进一步揭示并确认了蛋白分子在纳米沸石表面的多层吸附模型。在本文的最后,我们利用层叠层技术(LBL)将纳米LTL沸石组装在导电玻璃ITO的表面,并通过纳米沸石固定细胞色素c,制备成纳米沸石修饰的酶电极。分别利用循环伏安法(CV)和电流-时间法(i-t)测定了细胞色素c的电化学响应以及其对双氧水的传感性能。实验发现所制备的酶电极不仅具有良好的电化学性能和传感性能,而且可以通过控制修饰电极的组装层数来调变它们的传感性能。而纳米沸石修饰酶电极之所以具有良好的传感性能主要源于纳米LTL沸石不仅对细胞色素c有着较高的固定量而且还能尽可能的保持其活性构象。
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