金属有机骨架纳米酶传感器构建及糖类物质检测应用

来源 :曲阜师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:chen_d031
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金属有机骨架材料(Metal-organic frameworks,MOFs)是一类以金属离子或金属簇为节点、有机配体为连接体,自组装形成多维度网状结构的多孔晶体材料。MOFs因其具有独特的结晶度、可调节的结构和孔径、比表面积大及丰富的不饱和金属位点等结构特征引起了人们的关注,并且在气体吸附、生物医药、催化和传感等领域显示巨大的应用潜能。MOFs具有的大量不饱和金属位点,赋予了其良好的催化活性,并得到了快速发展。为进一步拓展MOFs在催化方面的应用,MOFs需要在水溶性、稳定性、导电性等方面做出改进。本论文研究制备了三种具有催化活性的MOFs,分别利用其优异的催化性能用于唾液酸(SA)和葡萄糖的精准检测,具体内容如下所示:(1)比色辅助光电化学双模式传感器用于检测唾液酸:唾液酸(SA)的灵敏、准确检测对早期癌症诊断具有重要意义。本研究基于SA的两对顺式二醇结构,设计了一种新型的三明治夹心式的光电化学生物传感器。该传感器具有光电流和可视化双模式信号输出功能,结合多重信号放大策略,实现血清中唾液酸的高灵敏度、高选择性、精准检测。首先,金纳米粒子(Au NPs)功能化的硫化铋(Bi2S3)修饰到ITO电极表面形成Au NPs@Bi2S3@ITO电极获得放大的初始信号。其次,基于SA与硼酸根的高特异性结合,Au NPs修饰的卟啉MOF PCN-224(Au@PCN-224)作为多功能信号放大器引入电极表面,形成三明治夹心结构。由于空间位阻、电子给体和衍射光能的竞争性消耗,Au@PCN-224不仅能极大程度地猝灭光电流,另一方面还可以作为有效的光敏剂激活O2产生活性氧(ROS)。由此产生的ROS将TMB氧化为ox TMB,从而产生比色信号。为解决由于ROS寿命短导致的可视化信号弱问题,本研究以Ce3+为介质来增强体系的氧化能力,大大提高TMB到ox TMB的氧化效率,比色信号显著增强。本研究构建的SA双模式信号输出检测传感器,具有检测背景低、灵敏度高、选择性好和准确性高的特点,检测限为1.44μM,线性范围为5~1000μM。本研究所提出的信号放大策略为设计其他传感技术用于SA的双模式信号检测具有重要的指导意义。(2)构建新型磁性CPBA-PEI@Fe3O4纳米复合材料用于唾液酸高灵敏检测:纳米酶利用其高效的类酶活性及特异性可有效地识别底物,实现了在生物传感方面应用的可能性。本研究利用聚乙烯亚胺(PEI)和Fe3O4纳米颗粒一锅法合成了PEI功能化纳米复合材料PEI@Fe3O4。首先,以Fe3O4为载体,在其表面修饰一层PEI,PEI表面的氨基不仅为硼酸根的下一步引入提供识别位点,而且增强了材料的亲水性并屏蔽掉Fe3O4的催化性能。其次,PEI@Fe3O4经表面NH2引入4-羧基苯硼酸(CPBA),为SA提供大量的识别位点。以Fe3+为配位离子,2-氨基苯甲酸为配体,溶剂热法合成了一种具有高效过氧化物酶活性的氨基功能化MOF(NH2-MOF)。NH2-MOF在N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)和1-(3-二甲基丙基)-3-乙基碳二亚胺(EDC)的偶联作用下,SA作为“类抗原”,一对顺式二羟基特异性结合到NH2-MOF表面,另一对顺式二羟基,特异性结合CPBA-PEI@Fe3O4,形成类免疫夹心型结构。最后,通过磁分离得到NH2-MOF@SA@CPBA-PEI@Fe3O4复合体。该纳米复合体保留MOF高效的催化活性,并且催化活性与SA含量成正相关关系,线性范围为0-200μM,检出限为3.6μM。本研究通过SA巧妙地调控复合材料上负载的NH2-MOF含量,使显色和紫外吸收均呈现相应的信号变化。结果证实该方法可实现血清中SA的高效、灵敏、快速检测。(3)构筑新型MIL-53(Fe)@GOX纳米酶用于葡萄糖高灵敏检测:基于葡萄糖氧化酶(GOX)和金属有机框架MIL-53(Fe)纳米球介导的级联酶促反应,建立一种快速、简单比色检测葡萄糖的方法。首先,合成具有较强类酶活性的MIL-53(Fe),其次,基于MIL-53(Fe)的强吸附能力,室温搅拌条件下,GOX被吸附在材料表面形成MIL-53(Fe)@GOX复合材料。该纳米复合材料同时具有GOX和过氧化物酶两种酶活性。体系中加入葡萄糖后,GOX与葡萄糖发生氧化反应产生H2O2;然后,纳米酶MIL-53(Fe)发生级联酶促反应,利用产生的H2O2与TMB反应生成ox TMB,从而产生紫外和比色信号。该纳米传感器用于血清中葡萄糖的检测,显示出灵敏度高、选择性好的特点。方法的检出限为2.35μM,线性范围为0-100μM。本研究策略为葡萄糖的快速灵敏检测提供了一种设计思路。
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