蛋白质与典型纳米材料相互作用研究
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纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级的超细材料,具有异于普通材料的光、电、磁、热、力学、机械等性能,且与生物大分子如蛋白质、核酸等具有相同的尺度,两者相互结合可组装出新的生物纳米材料,用于传感检测、药物载体、医用支架等方面,因此在生物、医学领域具有广阔的应用前景。然而,纳米材料与生物分子的相互作用规律和作用机理尚未深入研究,严重制约了生物纳米材料的应用进程。本论文研究了蛋白质分子之间的相互作用规律,进而选择研究了三种典型纳米材料(碳纳米管、氧化石墨烯和量子点)与蛋白质(或肽)之间的相互作用规律,并探讨了两者相互作用后的材料性能(电化学、膜分离、药物输送)。首先,研究了牛血清白蛋白(BSA)在不同温度下热诱导聚集过程。采用圆二色光谱、二阶导紫外吸收光谱、动态光散射技术和体积排阻色谱-多角激光光散射联用技术等多种生物物理学手段跟踪研究了聚集过程中蛋白的多级结构(二级、三级和四级)变化规律。结果表明:BSA分子在60℃以下较为稳定,但当温度高于65℃时,BSA经历一个明显的热聚集过程(水力学半径Rh急剧增加),并伴随着大量二级结构的去折叠(-螺旋含量呈现反曲线型减少,转变温度为67.6℃),三级结构的明显扩展(增加的芳香族氨基酸溶剂暴露,转变温度为65.5℃),明显的静电屏蔽(温度高于65℃时第二维里系数A2明显降低)和显著的聚体形成(高于65℃时分子量急剧增大)。其次,采用廉价无毒、生物相容性较好的两亲性二肽衍生物(阿斯巴甜)功能化多壁碳纳米管,并采用功能化的碳纳米管修饰电极,提高其电化学传感能力。阿斯巴甜是一种两亲性分子,可通过–共轭的非共价相互作用吸附到碳纳米管表面,因此具有很强的分散能力,并在较宽的pH范围内具有优良的稳定性,且分散效果要优于传统的分散剂SDS等。将分散液涂覆在玻碳电极表面,室温蒸发后即可在电极表面有效形成碳纳米管修饰层;对过氧化氢的检测表明阿斯巴甜/碳纳米管的组合提高了电极的传感检测能力,有效降低了检测电位。第三,将氧化石墨烯作为亲水改性材料,通过共混改性制备抗蛋白质污染的PES亲水性超滤膜。采用扫描电镜,接触角测定仪,通量测定仪等表征手段研究了氧化石墨烯改性PES超滤膜的性能及抗污染特性变化规律,结果表明:改进Hummers法制备的氧化石墨烯可以均匀稳定在DMF铸膜液中,通过相转化法均匀分散在PES超滤膜中,并可以显著改善PES超滤膜的亲水性及通量,达到了较好抗蛋白质污染的效果。最后,研究了三种不同尺寸碲化镉量子点(分别为绿色G-QDs、黄色Y-QDs、红色R-QDs)对两类多酚类分子(原花青素和白黎芦醇)与BSA之间相互作用影响的规律。添加三种CdTe量子点后,多酚与BSA的结合作用均有所减弱,其中G-QDS、Y-QDs、R-QDs对BSA与原花青素的结合力减弱程度较大,分别为7.40%、30.62%和8.88%;而对BSA与白黎芦醇的结合力则分别减弱2.12%,5.61%和0.30%,说明QDs或者纳米粒子的存在可能会影响到BSA对于小分子药物在体内输送的能力,进而影响到药效。
摘要 | 第4-6页 |
ABSTRACT | 第6-7页 |
第一章 文献综述 | 第11-31页 |
1.1 引言 | 第11-12页 |
1.2 蛋白质结构、功能及在生物学上作用的研究 | 第12-17页 |
1.2.1 蛋白质的结构 | 第12-13页 |
1.2.2 蛋白质的功能 | 第13页 |
1.2.3 蛋白质分离加工与其结构和分子相互作用的关系 | 第13-14页 |
1.2.4 超滤膜分离蛋白质 | 第14页 |
1.2.5 蛋白质聚集问题的研究现状 | 第14-16页 |
1.2.6 蛋白质与小分子相互作用研究进展 | 第16-17页 |
1.3 几种典型的纳米材料制备、特性及表征方法 | 第17-22页 |
1.3.1 碳纳米管 | 第17-18页 |
1.3.2 氧化石墨烯 | 第18-20页 |
1.3.3 量子点 | 第20-22页 |
1.4 纳米材料和蛋白质相互作用分析方法 | 第22-28页 |
1.4.1 结合力和结合率 | 第24-26页 |
1.4.2 纳米材料与蛋白质结合的构象变化 | 第26-27页 |
1.4.3 纳米材料蛋白质相互作用机理 | 第27-28页 |
1.4.4 纳米材料结合动力学 | 第28页 |
1.5 本论文的研究目的、内容及意义 | 第28-31页 |
第二章 BSA 热聚集过程中多级结构性质及相互作用研究 | 第31-43页 |
2.1 引言 | 第31-32页 |
2.2 实验材料与方法 | 第32-34页 |
2.2.1 实验材料 | 第32-33页 |
2.2.2 主要实验仪器 | 第33页 |
2.2.3 样品准备 | 第33页 |
2.2.4 圆二色光谱 | 第33-34页 |
2.2.5 紫外吸收光谱 | 第34页 |
2.2.6 动态光散射 | 第34页 |
2.2.7 体积排阻色谱-多角激光光散射联用 | 第34页 |
2.3 结果与讨论 | 第34-41页 |
2.3.1 远紫外 CD 研究 BSA 二级结构 | 第34-36页 |
2.3.2 近紫外 CD 和二阶导紫外法研究 BSA 三级结构 | 第36-38页 |
2.3.3 DLS 研究 BSA 四级结构和聚集体 | 第38-39页 |
2.3.4 SEC-MALLS 研究 BSA 分子量分布及相互作用 | 第39-40页 |
2.3.5 热诱导的 BSA 多级结构改变整体分析 | 第40-41页 |
2.4 小结 | 第41-43页 |
第三章 基于阿斯巴甜功能化的多壁碳纳米管及电化学传感研究 | 第43-55页 |
3.1 引言 | 第43-44页 |
3.2 实验材料与方法 | 第44-46页 |
3.2.1 实验材料 | 第44页 |
3.2.2 实验主要仪器 | 第44-45页 |
3.2.3 多壁碳纳米管/阿斯巴甜的复合物分散液制备 | 第45页 |
3.2.4 多壁碳纳米管/阿斯巴甜表征 | 第45页 |
3.2.5 多壁碳纳米管/阿斯巴甜复合物涂覆电极制备及电化学传感性能 | 第45-46页 |
3.3 结果与讨论 | 第46-53页 |
3.3.1 多壁碳纳米管/阿斯巴甜分散液稳定性研究 | 第46-48页 |
3.3.2 阿斯巴甜分散的多壁碳纳米管形貌及结构表征 | 第48-50页 |
3.3.3 多壁碳纳米管/阿斯巴甜复合物修饰电极性能考察 | 第50-53页 |
3.4 小结 | 第53-55页 |
第四章 氧化石墨烯改性超滤膜抗蛋白质吸附研究 | 第55-68页 |
4.1 引言 | 第55-56页 |
4.2 实验材料与方法 | 第56-60页 |
4.2.1 实验材料 | 第56页 |
4.2.2 主要实验仪器 | 第56-57页 |
4.2.3 样品准备 | 第57-58页 |
4.2.4 刮膜机 | 第58页 |
4.2.5 原子力显微镜 | 第58页 |
4.2.6 扫描电镜 | 第58-59页 |
4.2.7 接触角测定 | 第59页 |
4.2.8 蛋白质静态吸附实验 | 第59页 |
4.2.9 水通量及蛋白质通量测定 | 第59-60页 |
4.3 结果与讨论 | 第60-67页 |
4.3.1 氧化石墨烯(GO)在 DMF 分散液 | 第60-61页 |
4.3.2 GO 改性 PES 超滤膜的形成机理 | 第61-63页 |
4.3.3 GO/PES 改性超滤膜表面亲水性 | 第63-64页 |
4.3.4 GO/PES 改性超滤膜的蛋白质吸附特性 | 第64-65页 |
4.3.5 GO/PES 改性超滤膜通量研究 | 第65-67页 |
4.4 小结 | 第67-68页 |
第五章 量子点影响多酚与 BSA 相互作用的研究 | 第68-80页 |
5.1 引言 | 第68-69页 |
5.2 实验材料和方法 | 第69-71页 |
5.2.1 实验材料 | 第69页 |
5.2.2 实验仪器 | 第69-70页 |
5.2.3 荧光光谱分析 | 第70页 |
5.2.4 量子点的制备与表征 | 第70页 |
5.2.5 样品的准备 | 第70页 |
5.2.6 荧光淬灭实验 | 第70-71页 |
5.3 结果与讨论 | 第71-78页 |
5.3.1 量子点制备与表征 | 第71-72页 |
5.3.2 多酚与 BSA 相互作用规律 | 第72-73页 |
5.3.3 量子点与 BSA 相互作用规律 | 第73-75页 |
5.3.4 量子点影响多酚与 BSA 相互作用规律研究 | 第75-78页 |
5.4 小结 | 第78-80页 |
第六章 结论与展望 | 第80-83页 |
6.1 结论 | 第80-81页 |
6.2 主要创新点 | 第81-82页 |
6.3 展望 | 第82-83页 |
参考文献 | 第83-100页 |
发表论文和参加科研情况说明 | 第100-102页 |
致谢 | 第102页 |
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