蛋白界面识别光电传感与检测

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蛋白在细胞和生物体的生命活动过程中起着十分重要的作用。许多蛋白是疾病标志物和治疗靶标,构筑蛋白识别检测的新型传感器,对于疾病早期诊断有重要意义。应用贵金属纳米粒子的局域表面等离子共振(LSPR)耦合效应,容易实现靶标蛋白的特异性识别光学检测。基于贵金属纳米粒子的LSPR效应的表面增强拉曼散射(SERS)光谱是一种高灵敏检测技术,现已被广泛用于各种界面和生物检测。目前蛋白SERS检测仍是一个研究重点和难点。分子印迹是制备对某一特定分子具有空间结构选择性识别能力的聚合物的技术,通常被称为制备人工“锁”和人工“抗体”的技术。蛋白分子印迹制备是一项具有挑战性的课题。需要解决蛋白传质速率、模板在印迹聚合物中滞留、水溶液环境印迹制备等几方面问题。  本文在功能纳米金(AuNP)光学检测肌红蛋白,银核氧化硅壳层(Ag@SiO2)核壳纳米复合粒子的制备及SERS和表面增强荧光(SEF)免疫检测,以及蛋白印迹自组装单层膜的构筑及电化学识别检测三方面取得研究进展:  (1)基于AuNP的LSPR耦合,发展一种简便的肌红蛋白识别光学检测方法。合成两个含有亚胺二乙酸(IDA)硫醇分子。肌红蛋白表面的组氨酸(His)残基通过His-Cu2+-IDA配位作用特异性结合到IDA功能化AuNP表面,形成AuNP夹有肌红蛋白的三明治结构聚集体,导致AuNP的LSPR共振吸收谱带发生红移,伴随金溶胶颜色由红色变为紫色。通过显色观察和紫外可见光谱测量可分别定性和定量检测肌红蛋白。系统研究功能化AuNP对富含组氨酸蛋白的识别选择性,发现富含组氨酸蛋白的光学传感与蛋白表面组氨酸数量和分布以及蛋白尺寸密切相关。  (2)联合基于贵金属纳米粒子的LSPR效应的SERS和SEF技术,制备半导体量子点修饰的Ag@SiO2核壳结构SERS标记物复合纳米粒子,用于高灵敏抗原免疫检测。优化修饰量子点和银核间隔的氧化硅壳层厚度为9nm时量子点获得最大荧光增强。在SERS测量过程中,由于激光照射导致嵌入在核壳结构中银核表面的拉曼探针分子氨基苯硫酚(PATP)发生光催化偶联反应,形成拉曼散射截面显著增大的偶氮苯衍生物,明显提高SERS免疫检测灵敏度,很大程度上弥补了氧化硅壳层所致的SERS信号减弱。这种双功能纳米复合粒子不仅用于高灵敏SERS和SEF抗原免疫检测,还可能在双模式生物成像领域具有潜在应用前景。进一步制备荧光纳米碳点修饰的Ag@SiO2复合纳米粒子,用于荧光和SERS抗原免疫检测。  (3)分子印迹单层膜相对于体相印迹聚合物在传质速率、信号转导和实时检测等方面具有很多优势。设计合成一个含有寡聚乙二醇端基和两个酰胺基团的新型二硫分子(DHAP)。在水和乙酸溶液中,模板蛋白、功能硫醇分子和DHAP通过氢键和静电作用共组装,构筑具有多重作用结合位点和生物相容性印迹空穴的蛋白印迹自组装单层膜。DHAP在多重作用结合位点和生物相容性空穴形成以及阻抗蛋白非特异性吸附方面起到重要作用。构筑的蛋白印迹单层膜对靶向蛋白具有良好的识别选择性。在智能生物材料可控组装和生物传感器制备方面开辟一条新途径。基于硼酸与顺式二醇的可逆共价作用,进一步构筑糖蛋白印迹自组装单层膜。为了在中性pH条件下形成硼酸酯,系统研究乳铁蛋白与巯基苯硼酸(PMBA)和不同氨基硫醇分子形成的自组装膜的相互作用。结果表明在自组装单层膜中氨基硫醇分子链长需与PMBA分子长度匹配,才能使氨基的N与硼酸的B发生相互作用,进而才可在中性条件下共价结合糖蛋白。在水和乙醇溶液中通过分步组装和共组装两种方法构筑由PMBA、PATP和DHAP三组分构成的糖蛋白印迹单层膜。进一步证实基于设计的新型二硫分子和共组装策略在构筑特异性结合蛋白的印迹单层膜方面具有普适性意义。
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