基于g-C3N4荧光纳米片材料的传感平台及其在人血中酶与辅酶检测中的应用

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人体血液中的酶与辅酶在维持和调节人体机能与新陈代谢方面具有重要作用,其含量或活性的变化可用于指示人体的健康状态。因此,快速且准确检测人血中酶与辅酶的技术与方法是现代分析检测及临床诊断领域的重要研究内容。荧光探针已被广泛应用于各种生化分析过程,其对目标物的响应主要取决于所用荧光材料的光学性能及其响应机制。石墨相氮化碳(g-C3N4)纳米片具有类似于石墨的二维层状结构和良好的荧光发射能力、化学稳定性及生物相容性,适用于构建纳米荧光探针。本论文针对临床诊断过程对人体血液中辅酶A(Co A)、丁酰胆碱酯酶(BCh E)、碱性磷酸酶(ALP)、乙酰胆碱酯酶(ACh E)含量或活性的检测需求,开发了3种基于g-C3N4纳米片和邻苯二胺(OPD)的荧光探针,在此基础上构建了新型比率荧光及比色-比率荧光双信号检测平台,并将其应用于对实际人全血和血清样品的检测过程。具体研究内容包括:(1)开发了一种基于g-C3N4纳米片、铜离子(Cu2+)和OPD的比率荧光探针,实现了对人血清中辅酶A(Coenzyme,Co A)含量的高灵敏检测。该探针采用g-C3N4纳米片和OPD被Cu2+氧化所得的产物2,3-二氨基吩嗪(ox OPD)作为荧光指示剂,采用Cu2+和ox OPD作为g-C3N4纳米片的荧光猝灭剂。Co A与Cu2+间的络合反应可降低检测体系中游离Cu2+的浓度,进而抑制Cu2+对g-C3N4纳米片的猝灭及ox OPD的生成。因此,采用g-C3N4纳米片在440 nm处与ox OPD在560 nm处的荧光发射强度比值(F440/F560)作为响应信号可实现对检测体系中Co A含量的测定。该探针对Co A的线性响应范围为1.0–100.0μM,检出限(LOD,3σ/S)为0.6μM。此外,该探针具有良好的选择性,对实际人血清样品的加标检测结果表明其在复杂生物基质样品检测方面具有较好的应用潜力。(2)基于g-C3N4纳米片、银离子(Ag+)和OPD开发了一种比率荧光—比色双信号响应探针,实现了对人血清中BCh E活性的精确测定。在该探针中,OPD被Ag+氧化生成ox OPD,Ag+与ox OPD均通过光诱导电子转移(PET)过程猝灭g-C3N4纳米片的荧光。在BCh E的催化作用下,碘化丁酰硫代胆碱(BTCh)水解生成硫胆碱(TCh)。TCh中的巯基与Ag+间的强配位作用使检测体系中的游离Ag+含量显著降低,进而抑制OPD的氧化反应。因此,可采用g-C3N4纳米片在440 nm和ox OPD在560 nm的荧光发射强度比(F440/F560)作为荧光响应信号来检测BCh E的活性。此外,ox OPD在420 nm处的吸光度变化值(ΔA420)亦可作为BCh E活性的比色响应信号。该双模探针对人血清中BCh E活性具有较高的响应灵敏度和选择性,其比率荧光模式和比色模式的检出限(LOD,3σ/S)分别为0.1 U L-1和0.7 U L-1。(3)基于g-C3N4/Mn O2纳米片复合材料和OPD,开发了使用于检测人体血液中3种酶(ALP、ACh E和BCh E)活性的比率荧光—比色双信号传感平台。其中,g-C3N4纳米片为荧光指示剂;Mn O2纳米片既可通过内滤效应(IFE)对g-C3N4纳米片的荧光发射产生猝灭作用,又可作为OPD氧化生成ox OPD反应的催化剂和氧化剂;在上述氧化反应中生成的ox OPD亦可通过PET过程猝灭g-C3N4纳米片的荧光发射。采用L-抗坏血酸-2-磷酸(AAP)作为ALP的催化水解反应底物,或采用乙酰硫代胆碱碘(ATCh)作为ACh E和BCh E的催化水解反应底物,所得反应产物抗坏血酸(AA)或硫胆碱(TCh)均可将Mn O2纳米片还原为Mn2+,进而抑制OPD的氧化过程。基于上述原理,g-C3N4纳米片和ox OPD分别在440 nm和560 nm处的荧光发射强度比(F440/F560)及ox OPD在420 nm处的吸光度变化值(ΔA420)可分别被用作检测体系中3种目标酶活性的比率荧光及比色响应信号。该双模平台对ALP、ACh E和BCh E的检出限(LOD,3σ/S)分别为0.28 U L-1、0.19 U L-1和0.15 U L-1(比率荧光模式)及1.3 U L-1,1.0 U L-1和0.9 U L-1(比色模式),在对人全血及血清实际样品的检测过程中表现出了良好的选择性。本论文所开发的探针及传感平台均基于g-C3N4荧光纳米片与OPD显色剂组合对具有氧化能力的纳米材料或金属离子的荧光及比色响应,利用目标物酶自身或其相关反应产物对检测体系中上述氧化剂的含量进行调控,进而得到与目标物酶的含量或活性信息相关的荧光及比色信号输出,其传感过程基本原理及荧光-比色指示剂组合设计具有一定的普适性,可作为人血中酶含量及活性评估过程的通用传感平台,通过改变氧化剂种类或酶催化水解反应底物种类进一步扩展可检测的目标物酶种类。
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