基于近红外激光驱动的纳米马达用于复杂生物体液中的葡萄糖检测

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葡萄糖作为一种重要的生物标志物,在人不同体液中的含量映射了人体的健康情况。而精准检测葡萄糖含量在疾病(如糖尿病)的诊断、治疗和监测中尤为重要。随着纳米技术的日益发展,已开发出多种基于电化学或光学的纳米传感器用于葡萄糖的检测,但这类传感器通常只能在缓冲溶液等成分简单的环境中应用,真实生物体液中的流体粘度普遍偏高,环境中存在的蛋白质、大分子和离子等复杂成分会对传统纳米传感器产生生物粘附作用,从而使其扩散过程受阻,相应地响应速度变慢,灵敏度下降,分析能力也随之降低。因此,开发一种能在复杂生物环境中响应速度更快、灵敏度更高、选择性更好的新型葡萄糖传感器具有重要意义。纳米马达是一种将能量转化为运动的纳米装置,在特定刺激下可进行指定的机械运动,如旋转、滚动、穿梭、输送和收缩等。纳米马达代表了最集成的系统,它们在分析化学、生物化学、材料科学和纳米技术之间的协同作用体现了前所未有的应用潜力。针对纳米设备在复杂生物体液中扩散系数低这一科学问题,我们提出了一种基于纳米马达的传感器,利用其运动特性克服复杂生物溶液体系的粘滞阻力,增强其扩散速度,实现对生物标志物的有效检测。本文构建了一种基于荧光信号的纳米马达传感器,在近红外(Near infrared,NIR)光的照射下纳米马达的自驱动能力可实现复杂的生物介质中葡萄糖水平的检测,本论文的主要研究内容如下:(1)首先通过改进的St?ber法制备了二氧化硅(Silica nanoparticle,Si O2)纳米颗粒,随后利用离子溅射仪制备了含有金(Aurum,Au)半壳结构的Au-Si O2纳米马达,进一步通过静电吸附作用将葡萄糖氧化酶(Glucose oxidase,GOx)修饰在非对称纳米马达(Janus nanomotor,JNM)的硅半球一侧,构建了特异性识别葡萄糖的GOx@JNM传感器。通过各类仪器对该纳米马达材料进行表征,实验结果证明具有不对称金壳结构的纳米马达的成功构建以及GOx在纳米马达表面的吸附。进一步研究了808 nm NIR激光器的激光功率密度的调节方法,并使用红外热成像仪对纳米马达在808 nm NIR激光照射下的光热效应进行成像记录。(2)利用激光扫描共聚焦显微镜记录纳米马达在NIR光照下做主动运动的视频,根据Image J图像处理软件分析纳米马达的运动视频得到其运动信息,计算纳米马达在不同条件下的运动信息。构建了基于DNA探针,异硫氰酸荧光素(Fluorescein isothiocyanate isomer,FITC),3,3’,5,5’-四甲基联苯胺(3,3’,5,5’-Tetramethylbenzidine,TMB)以及荧光小分子探针(Fluorescent small molecule probe 3,P3)的多种传感体系,对比纳米马达和普通纳米颗粒在不同体系中产生检测信号的速度与强度,考察了纳米马达在传感应用中的优势。(3)基于GOx催化葡萄糖生成葡萄糖酸和H2O2(Hydrogen peroxide,H2O2)这一特性,选择能特异性靶向H2O2的荧光探针P3作为传感体系中检测葡萄糖的信号,考察了纳米马达传感器对葡萄糖的检测活性,实验结果表明这种传感器能特异性识别葡萄糖,进一步设置了不同粘度的溶液并利用纳米马达传感器的运动特性实现对葡萄糖的快速定量分析,相比于传统纳米传感器,这种可自驱动的纳米传感器能检测到葡萄糖的检测限明显更低,最低检测限可达到0.39μM。最后在人尿液、人血清和人脑脊液中考察了纳米马达传感器对葡萄糖的检测分析能力,回收率在97.3%至102.6%之间,且相对标准偏差值均小于3%,实验结果表明利用NIR光驱动的纳米马达传感器可有效定量生物基质中的葡萄糖,证明这种传感方法在生物样品中的适用性。本论文构建了基于荧光信号的纳米马达葡萄糖传感器,在NIR光的照射下实现复杂的生物介质中葡萄糖水平的检测,同时构建了多种传感体系用于探究纳米马达的响应速度,为纳米马达在生物传感领域的应用提供了一定的理论基础。
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