基于过渡金属纳米酶的磷酸酶比色及光热传感

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基于天然酶的比色可视化传感因其颜色易读、专一性强和分析灵敏等优势,被广泛应用于实时分析和现场检测。但天然酶存在提纯复杂、成本高昂和极易变性失活等固有缺陷,限制了其在环境检测、食品安全和应急响应等众多领域的实际应用。近年来,纳米酶的问世和迅速发展有效地解决了上述天然酶的不足,尤其在分析传感领域得到了极大的关注。其中,过渡金属纳米酶因其制备简单、应用成本低廉等优势,近几年在传感分析应用领域的发展十分迅速。但是,基于过渡金属纳米酶的裸眼可视化分析方法仍然面临颜色信号单一、裸眼分辨率不高等局限,因而大多仅能用于定性和半定量分析。因此,开发具有独特物理化学性质和优异模拟酶催化活性的过渡金属纳米酶,设计快速、简便、可靠的分析传感新策略仍然是过渡金属纳米酶比色可视化传感面临的挑战。基于此,本论文针对过渡金属纳米酶比色可视化体系中存在的颜色信号低分辨率和单一分析信号低准确度等局限,通过引入具有高分辨率、高时空可控性和高灵敏度等独特优势的光热传感策略,实现了酸性磷酸酶(ACP)的高分辨率光热即时检测和碱性磷酸酶(ALP)的双模式光热及可视化现场分析。论文主要包含以下几个方面:第一章:从分析传感的三要素出发,首先系统总结了过渡金属纳米酶的分类、反应催化机制、活性调控策略和多样化应用。其次,综述了基于过渡金属纳米酶的荧光、电化学、压力、比色和光热等分析检测进展。最后,介绍了基于过渡金属纳米酶的比色/光热传感在环境、食品、化学和生物领域的实际应用。第二章:制备了二氧化锰纳米花(Mn O2 NFs)纳米酶,借助其优良的类氧化物酶(OXD)催化性能,构建了一种用于ACP活性分析的比色和光热转换策略。Mn O2 NFs可在溶解氧的参与下直接催化氧化无色的有机显色底物3,3’,5,5’-四甲基联苯胺(TMB)生成其蓝色的氧化态产物TMBox。同时,由于TMBox优良的光热转换性能,该可视化显色体系在808 nm近红外(NIR)激光的照射下可产生强烈的光热效应,其温度变化可用普通温度计进行量测。当体系中引入目标物ACP后,在底物L-抗坏血酸2-磷酸(AAP)存在的情况下,ACP能够特异性水解AAP产生抗坏血酸(AA),进一步特异性地触发纳米材料形貌的改变,伴随着比表面积的减少而抑制了Mn O2 NFs表面的催化活性位点,进而阻断了自由基单线态(~1O2)的高效生成,致使Mn O2 NFs表现出弱的纳米酶催化活性,最终抑制可视化和光热体系中信标分子TMBox的生成。基于此,我们成功开发了一种光热传感ACP的定量分析传感平台。实验结果表明,相比于比色可视化分析方法(LOD为0.15 U/L,S/N=3),光热传感分析方法具有更高的灵敏度(LOD为0.067 U/L,S/N=3)。建立的光热即时检测方法可成功应用于人血清样品中ACP的检测,加标回收率在98.0%~102.0%之间,相对标准偏差(RSD)在2.69%~4.14%之间,具有良好的可靠性。第三章:制备了空心硫化铜纳米颗粒(H-Cu S NPs)纳米酶,借助其优良的过氧化物酶(POD)性能,发展了一种可视化和光热双模式传感ALP的即时检测方法。H-Cu S NPs可在过氧化氢(H2O2)的存在下催化氧化有机显色底物TMB产生蓝色的氧化态产物TMBox,进而产生裸眼可直读的颜色变化信号。由于TMBox的优良光热转换性能,在808 nm NIR激光的照射下体系可产生强烈的光热效应,并伴有温度的明显升高。当体系中引入目标物ALP时,ALP能够特异性水解底物AAP产生AA,并进一步还原TMBox导致可视化体系的蓝色变浅和光热响应的温度下降。基于此,我们成功构建了一种可视化和光热双模式检测ALP的即时检测方法,其可视化和光热分析ALP的LOD分别为0.10 U/L和0.14 U/L(S/N=3),可成功应用于人血清样品中ALP的检测,其测定精度可满足分析传感应用的实际需求。此外,该方法中基于颜色和温度的双模式信号读出设计,可以从分析信号的产生角度提供互补验证,进而确保了传感技术的检测准确性和可靠性。第四章:总结了基于信号转换策略和双模式信号读出策略构建的过渡金属纳米酶比色/光热传感方法的优势,并就其未来的发展方向和应用前景进行了展望。
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