从纳米尺度调控仿生酶催化超氧阴离子自由基的电化学氧化行为

论文摘要

超氧阴离子自由基(superoxide radical,O2·-)的浓度变化与多种生命活动密切相关,对细胞释放的O2·-进行检测在生命科学研究和疾病快速检测等方面具有重要意义。然而,细胞释放的O2·-浓度低、扩散快、活性高且半衰期短,对其定性定量检测难以实现。在诸多检测方法中,电化学方法表现出响应快速、操作简易、成本低廉等优点,尤其适合在避免对细胞新陈代谢和相关生理活动造成破坏的前提下,用于对细胞释放的O2·-进行定性定量检测。通常,O2·-电化学传感器的敏感元件主要依赖于电极表面上的生物酶,但生物酶易失活、成本高且产量低,而基于仿生酶的电化学传感器可以克服基于生物酶而产生的问题。因此,设计合成制备方法简单、具有高催化活性且成本低廉的仿生酶,从而构建出具有低检测限、短响应时间、高灵敏度、强特异性及宽线性范围的O2·-电化学传感器,成为当前研究需要解决的重点问题之一。纳米材料具有尺寸小、比表面积大等特点,为仿生酶的设计提供了新的发展方向。因此,本论文从纳米尺度出发,针对仿生酶电化学传感器在检测O2·-方面存在的不足,结合载体、活性基团以及反应中心等因素,从材料间的协同作用以及反应中心在一维、二维、三维的不同存在形式下进行探索,设计了四种新型仿生酶,并将其应用于电化学传感器的构建,从而实现了对细胞释放O2·-的定性定量检测。主要研究内容简述如下:1.通过简单的室温沉淀法和一步水热法分别制备了磷酸钴（Co3（PO4）2）和碘掺杂还原氧化石墨烯（I-rGO）材料,并合成Co3（PO4）2/I-rGO仿生酶,将其应用于电化学传感器的构建并检测人前列腺癌细胞（DU145）受药物刺激释放的O2·-。基于该Co3（PO4）2/I-rGO仿生酶的电化学传感器对O2·-的检测限低(1.67 nmol·L-1)、响应时间短（2.99 s）、灵敏度高(177.14μA·(μmol·L-1·cm2)-1)、线性范围宽(1.67nmol·L-1-2.195×103nmol·L-1)且特异性强。相较于Co3（PO4）2/rGO,Co3（PO4）2/I-rGO能更有效地催化O2·-的电化学氧化行为。这是由于碘的掺杂导致rGO缺陷位置增加,使得I-rGO可以比rGO吸附更多的Co3（PO4）2,从而具备更多的表面活性位点。同时,由于Co3（PO4）2/I-rGO仿生酶中催化O2·-电化学氧化行为的主要部分是Co2+,且与Co3（PO4）2紧密结合的I-rGO可以起到加速电子转移的作用,所以I-rGO可以与Co3（PO4）2起到更有效地协同催化作用。2.通过在氮硫共掺杂石墨烯（NSG）上原位生长高密度纳米钴（Co）颗粒制备了一种新型Co-NSG一维仿生酶,将其应用于电化学传感器的构建并检测DU145细胞受药物刺激释放的O2·-。基于该Co-NSG仿生酶的电化学传感器对O2·-的检测限低(1.67 nmol·L-1)、响应时间短（1.35 s）、灵敏度高(628.86μA·(μmol·L-1·cm2)-1)、线性范围宽(1.67 nmol·L-1-575 nmol·L-1)且特异性强。这说明,Co-NSG纳米复合材料在催化O2·-的电化学氧化行为方面具有很好的潜力。其中,Co被鉴定为该仿生酶的活性位点,NSG为Co的原位生长提供了良好的载体且起到了加速电子传递的作用,从而增强了该仿生酶的催化活性。3.通过温度控制对碳纳米纤维（CNFs）的孔结构及孔径分布进行调节,使其能够更好地吸附DNA并引导磷酸锰（Mn3（PO4）2）在其上生长,从而制备了Mn3（PO4）2-DNA/CNF二维仿生酶,将其应用于电化学传感器的构建并分别检测人恶性黑色素瘤细胞（A375）和人永生化角质形成细胞（HaCat）受药物刺激释放的O2·-。基于该Mn3（PO4）2-DNA/CNF仿生酶的电化学传感器对O2·-的检测限低(1.67nmol·L-1)、响应时间短（3.17 s）、灵敏度高(249.29μA·(μmol·L-1·cm2)-1)、线性范围宽(1.67 nmol·L-1-747.5 nmol·L-1)且特异性强。其中,CNFs的介孔可以有效吸附DNA,进而引导Mn3（PO4）2在其上呈二维线性生长。这不仅有效解决了Mn3（PO4）2易团聚的难题,还促进了仿生酶与导电材料更好的贴合,在增大反应面积的同时加速电子传递,从而增强了该仿生酶的催化活性。4.通过表面自组装方法,在多壁碳纳米管（MWCNTs）表面修饰植酸（phytic acid,PA）,进而合成了一种新型三维Mn-PA-MWCNTs仿生酶,将其应用于电化学传感器的构建并检测人肺癌细胞（A549）受药物刺激释放的O2·-。基于该Mn-PA-MWCNTs仿生酶的电化学传感器不仅检测限低(1.25 nmol·L-1)、响应时间短（2.15 s）、线性范围宽(1.25 nmol·L-1-175 nmol·L-1)、特异性强,还表现出迄今为止所见O2·-电化学传感器报道中最高的灵敏度(757.16μA·(μmol·L-1·cm2)-1)。其中,PA不仅带有与DNA类似的高密度磷酸基团,能够与带正电的锰离子(Mn2+)结合成为质地均匀的三维仿生酶,还克服了DNA成本高和存储难等缺点,成为一种更廉价、稳定、且制备工艺简单的Mn3（PO4）2合成模板。MWCNTs管壁上丰富的小洞样缺陷及其高导电性在有效固定PA的同时起到了加速电子传递的作用,从而增强了仿生酶的催化活性。综上所述,在物理结构和化学组分水平上对纳米材料进行设计,可以从不同角度精细调控仿生酶催化O2·-的电化学氧化行为,从而构建出具有低检测限、短响应时间、高灵敏度、强特异性及宽线性范围的O2·-电化学传感器。这主要是由于功能纳米材料的改性基团可以增强仿生酶的特异性,而其较大的比表面积和表面特征起到了增加反应活性位点和提高导电性的作用,从而增强了仿生酶的催化活性,进而提升了电化学传感器的检测性能。本论文为从纳米尺度调控仿生酶催化O2·-的电化学氧化行为的研究及应用提供了新的思路。

论文目录

摘要

ABSTRACT

第一章综述

1.1 细胞释放超氧阴离子自由基的检测

1.1.1 细胞释放超氧阴离子自由基的检测意义

1.1.2 超氧阴离子自由基的检测方法

1.1.3 电化学分析法对细胞释放超氧阴离子自由基的检测优势

1.2 超氧阴离子自由基电化学传感器的发展

1.2.1 基于生物酶的传统超氧阴离子自由基电化学传感器

1.2.2 基于仿生酶的新型超氧阴离子自由基电化学传感器

1.3 新型超氧阴离子自由基电化学传感器研发中的瓶颈

1.3.1 新型超氧阴离子自由基电化学传感器的特异性有待加强

1.3.2 新型超氧阴离子自由基电化学传感器的灵敏度有待提高

1.3.3 新型超氧阴离子自由基电化学传感器的重现性有待改善

1.4 从纳米尺度调控仿生酶以提升传感器性能的理论依据

1.4.1 从纳米尺度调控仿生酶以提升传感器性能的可行性

1.4.2 从纳米尺度调控仿生酶以提升传感器性能的研究进展

第二章实验设计及研究方法

2.1 实验设计

2.1.1 本论文的研究目的

2.1.2 本论文的设计思路及主要内容

2.2 研究方法

2.2.1 实验试剂及研究仪器

2.2.2 超氧阴离子自由基检测液的配置方法

2.2.3 材料的物理表征方法

2.2.4 材料的电化学分析方法

2.2.5 细胞培养方法

2.2.6 刺激细胞释放超氧阴离子自由基的方法及检测原理

第三章碘掺杂还原氧化石墨烯协同磷酸钴仿生酶催化超氧阴离子自由基的电化学氧化行为

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 材料的制备方法

3.2.2 材料的物理表征方法

3.2.3 工作电极的修饰及电化学分析方法

3.2.4 细胞培养方法

3.3 结果与讨论

3.3.1 材料的形貌及特征

3.3.2 不同材料修饰电极对超氧阴离子自由基的检测性能对比

3（PO₄）₂/I-rGO仿生酶对超氧阴离子自由基的催化性能分析'> 3.3.3 Co₃（PO₄）₂/I-rGO仿生酶对超氧阴离子自由基的催化性能分析

3（PO₄）₂/I-rGO/GCE传感器对细胞释放超氧阴离子自由基的检测'> 3.3.4 Co₃（PO₄）₂/I-rGO/GCE传感器对细胞释放超氧阴离子自由基的检测

3.4 本章小结

第四章纳米钴基一维仿生酶的构建及其对超氧阴离子自由基的电化学氧化催化作用

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 材料的制备方法

4.2.2 材料的物理表征方法

4.2.3 工作电极的修饰及电化学分析方法

4.2.4 细胞培养方法

4.3 结果与讨论

4.3.1 材料的形貌及特征

4.3.2 不同材料修饰电极对超氧阴离子自由基的检测性能对比

4.3.3 Co-NSG仿生酶对超氧阴离子自由基的催化性能分析

4.3.4 Co-NSG/GCE传感器对细胞释放超氧阴离子自由基的检测

4.4 本章小结

第五章纳米多孔结构对二维仿生酶催化超氧阴离子自由基电化学氧化行为的影响

5.1 引言

5.2 实验部分

5.2.1 材料的制备方法

5.2.2 材料的物理表征方法

5.2.3 工作电极的修饰及电化学分析方法

5.2.4 细胞培养方法

5.3 结果与讨论

5.3.1 材料的形貌及特征

5.3.2 不同材料修饰电极对超氧阴离子自由基的检测性能对比

3（PO₄）₂-DNA/CNF仿生酶对超氧阴离子自由基的催化性能分析'> 5.3.3 Mn₃（PO₄）₂-DNA/CNF仿生酶对超氧阴离子自由基的催化性能分析

3（PO₄）₂-DNA/CNF/GCE传感器对细胞释放超氧阴离子自由基的检测'> 5.3.4 Mn₃（PO₄）₂-DNA/CNF/GCE传感器对细胞释放超氧阴离子自由基的检测

5.4 本章小结

第六章植酸模板化三维仿生酶的构建及其对超氧阴离子自由基的电化学氧化催化作用

6.1 引言

6.2 实验部分

6.2.1 材料的制备方法

6.2.2 材料的物理表征方法

6.2.3 工作电极的修饰及电化学分析方法

6.2.4 细胞培养方法

6.3 结果与讨论

6.3.1 材料的形貌及特征

6.3.2 Mn-PA-MWCNTs仿生酶对超氧阴离子自由基的催化性能分析

6.3.3 Mn-PA-MWCNTs/GCE传感器对细胞释放超氧阴离子自由基的检测

6.4 本章小结

第七章创新点、结论与展望

7.1 创新点

7.2 结论

7.3 展望

参考文献

作者攻读博士学位期间取得的科研成果

致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 邹卓

导师: 李长明

关键词: 活性氧,传感器,纳米材料,过渡金属,癌细胞

来源: 西南大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 生物学,生物学,生物学,化学

单位: 西南大学

分类号: Q814;Q811;O657.1

总页数: 108

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