介孔二氧化硅纳米粒子荧光传感器的构建及其对生物硫醇传感性能研究

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荧光传感器由于其具有灵敏度高、操作简单、可实时监测等优点被广泛应用于各种分析物的检测。荧光传感器根据其识别模式的不同,可分为选择性荧光传感器和区分识别型荧光传感器。选择性荧光传感器通常具有较高的选择性和灵敏度,区分识别型荧光传感器根据不同传感单元的荧光响应信号组合可实现对多种不同分析物和相似分析物的区分识别检测。近几年来,随着纳米技术的发展,纳米粒子荧光传感器由于具有尺寸和形状可调、高比表面积以及独特的光学特性等特点受到科研工作者的广泛关注。纳米粒子荧光传感器根据纳米粒子类型的不同,可分为碳量子点纳米传感器、聚合物点纳米传感器、上转换纳米传感器、金纳米粒子传感器、介孔二氧化硅纳米传感器等。介孔二氧化硅纳米粒子由于合成简单、无毒、光学惰性等特点备受科研工作者的青睐。目前,基于介孔二氧化硅纳米粒子的荧光传感器,主要通过“嫁接法”、“共缩合法”和“周期性介孔硅”等方法将有机单元修饰于介孔二氧化硅纳米粒子的孔径内,实现了对有害金属离子、有毒分析物等的灵敏传感。生物硫醇在生物体内参与着一系列重要的生理过程,其异常水平可能会导致阿尔茨海默症、唐氏综合征和糖尿病等一些重大疾病的发生。因此,对生物硫醇的检测具有重要的意义。然而,到目前为止,很少有文献报道基于介孔二氧化硅纳米粒子的荧光传感器实现对生物硫醇的检测。因此,本论文利用表面化学修饰的方法,特别构建了可对生物硫醇进行检测的基于介孔二氧化硅纳米粒子的选择性荧光传感器和交互响应性荧光传感器阵列,并对其硫化物传感性能和区分识别性能进行了研究,主要包括以下两部分内容:第一部分工作,采用介孔二氧化硅纳米粒子作为载体,通过表面分步修饰的方法,先将NCO基末端的硅烷化试剂化学修饰在介孔二氧化硅纳米粒子表面,然后通过NCO基团与氨基的化学反应,将能与H2S进行加成反应的荧光团吡罗红哌嗪衍生物PYR化学结合于硅烷化试剂末端,从而修饰于介孔二氧化硅纳米粒子的表面,得到荧光纳米传感器M-SiO2@PYR。通过透射电子显微镜(TEM)、比表面积测定(BET)、红外光谱(FT-IR)、热重分析(TGA)以及X射线光电子能谱(XPS)对其进行了表征,表明荧光团PYR化学修饰于介孔二氧化硅纳米粒子的孔径内表面。该纳米粒子传感器呈现出吡罗红的特征发射,在水溶液中H2S存在下,发生显著的荧光猝灭响应,且检出限可达103.6 nM,而对其它相似分析物则没有明显响应,表明该纳米粒子传感器可实现对H2S的高灵敏、高选择性检测。此外,其还可以在复杂的生物流体中(如人体血清和尿液)实现对H2S的选择性检测,表明了该荧光纳米传感器在生物体系中的潜在应用。第二部分工作,以介孔二氧化硅纳米粒子为载体,将荧光团萘酐和罗丹明通过硅烷化试剂衍生分别得到NAA和RB-2,然后将其化学修饰于介孔二氧化硅纳米粒子上,合成了双发色团修饰的荧光纳米传感器M-Si02@RB-NAA,通过TEM、BET、FT-IR、TGA以及XPS对其进行了表征,表明荧光团NAA和RB-2化学修饰于介孔二氧化硅纳米粒子的孔径内表面。通过荧光测定发现,该双发色团修饰的纳米粒子呈现出典型的萘酐和罗丹明的荧光发射,其中萘酐基团因修饰有2,4-二硝基苯磺酰基荧光较弱。当生物硫醇存在时,其与2,4-二硝基苯磺酰基反应导致其离去,萘酐荧光得以恢复。研究发现,不同生物硫醇存在时,其导致纳米粒子表面萘酐和罗丹明B荧光变化程度不同,而当纳米粒子浓度不同时,其对同一生物硫醇的双信号响应程度也不同。因此,本工作采用两种不同浓度的该纳米粒子作为传感单元,构建了两单元荧光纳米粒子传感器阵列,通过采集两个传感单元的四个信号,实现了在水溶液和人体血清中对四种生物硫醇H2S、Cys、Hcy、GSH的指纹图谱响应和区分识别。该工作拓展了介孔二氧化硅荧光纳米传感器的检测范围和传感区分识别功能。
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