基于可逆、可再生介孔二氧化硅的刺激响应控制释放和分析检测研究

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介孔二氧化硅由于具有超高的比表面积、大的介孔体积、均一可调的孔径尺寸和有序的介孔结构等独特的介观结构和物理化学性质,在催化、吸附、大分子转化、蛋白质分离鉴定和光电磁材料等高科技领域,尤其是在刺激响应可控释放领域以及分析检测方面拥有广阔的应用前景。但是,目前已发展的许多刺激响应控制释放系统和分析检测系统均缺乏可逆性和可再生性。基于此,本论文以介孔二氧化硅纳米颗粒为载体材料,结合胸腺嘧啶的光反应性质和DNA分子构型的多样性,构建了基于光、pH、生物分子响应的可逆控制释放系统,同时结合磁纳米颗粒的磁分离特性,设计了一种能同时检测和移除汞离子的可再生核壳磁介孔二氧化硅纳米颗粒。主要开展以下研究工作:一、基于胸腺嘧啶功能化介孔二氧化硅的光响应可逆控制释放系统胸腺嘧啶具有良好的可逆光反应性质,是一种理想的光激发门控分子。本章将胸腺嘧啶共价交联到介孔二氧化硅纳米颗粒表面,设计了一种光响应可逆控制释放系统。在波长为365nm紫外光照射下,介孔二氧化硅颗粒表面的胸腺嘧啶形成二聚体结构,封堵住介孔,阻止包裹客体分子的释放;在波长为240nm的紫外光照射下,胸腺嘧啶二聚体发生解离,使封堵的介孔打开,释放装载的客体分子。Ru(bipy)32+分子由于其良好的光学性质而被选作模式客体分子,研究了其在不同波长光照条件下的储存和释放情况。此外,利用Ru(bipy)32+分子荧光的氧淬灭性质,我们成功设计了一种可再生的光开关氧传感器。二、基于i-motif DNA和羟基孔雀石绿功能化介孔二氧化硅的光响应可逆控制释放系统寡核苷酸因其具有良好的生物相容性、构型的多样性和稳定的物理化学性质等而成为构建“纳米门”的理想材料。本章选择i-motif DNA(富含胞嘧啶的四链DNA)作为pH响应的“纳米门”,羟基孔雀石绿(MGCB)作为光激发氢氧根离子发射器,结合介孔二氧化硅纳米颗粒巧妙地设计了一种新型的光响应可逆控制释放系统。首先,在介孔颗粒表面共价修饰上i-motif DNA,然后将MGCB通过静电吸附和疏水作用力固定在介孔通道壁上,并选择Ru(Bipy)32+作为模式客体分子装载进介孔通道内。当溶液pH为5.0时,i-motif DNA能有效地封堵介孔,限制客体分子的释放。在紫外光照射条件下,MGCB解离出氢氧根离子,导致溶液pH值升高,使得i-motif DNA去折叠成单链结构,从而导致介孔的打开和客体分子的释放。在黑暗的条件下,通过再结合溶液中的氢氧根离子,MGCB分子得以再生,使溶液的pH值返回到原始值,此时单链DNA再次折叠成i-motif DNA结构,从而关闭介孔,完成一个“开/关”循环。因此,通过交替地打开和关闭光源,DNA构型的变化和介孔的打开与关闭能被反复操作,达到可逆循环的效果。该方法利用光刺激pH变化分子来间接诱导pH敏感DNA的构型变化,简便易行,并且不需要复杂的合成技术,为纳米可控释放技术在实际体系中的应用奠定了基础。三、基于T-Hg2+-T碱基对介导的双链DNA功能化介孔二氧化硅的细胞内pH响应可逆控制释放系统胸腺嘧啶(T)能特异性结合汞离子形成T-Hg2+-T结构。在中性条件下,T-Hg2+-T结构具有比A-T结构更高的稳定性,而在弱酸性条件下能发生解离。本章将T-Hg2+-T碱基对介导的双链DNA共价交联在介孔二氧化硅表面,发展了一种细胞内酸响应可逆控制释放系统。在中性条件下,双链DNA能有效封堵介孔,防止药物分子的泄漏;而在弱酸(pH5.0)条件下,由于T-Hg2+-T结构的解离,双链DNA解链成单链,介孔被打开,装载的药物分子被释放。阿霉素(Dox)是一种常见的化疗药物分子,因此将其包裹在介孔通道内,以T-Hg2+-T碱基对介导的双链DNA封堵介孔,考察该系统在细胞内的控制释放行为。结果表明,细胞内溶酶体pH值能刺激介孔打开,释放Dox分子。此外,MTT实验结果表明,该药物释放系统展现良好的生物相容性,是一种理想的细胞内酸响应药物载体,有望应用于活体内酸响应药物释放研究。四、基于C-Ag+-C碱基对介导的双链DNA功能化介孔二氧化硅的生物分子响应可逆控制释放系统细胞在生长代谢过程中会产生一系列特殊功能的生物分子,因此发展一种生物分子响应的控制释放系统对药物运输和肿瘤靶向治疗具有重大意义。本章利用C-Ag+-C结构介导的双链DNA作为分子门,结合介孔二氧化硅纳米颗粒设计了一种生物分子响应可逆控制释放系统。在这个系统中,富含胞嘧啶的DNA(C-richDNA)被共价交联在介孔二氧化硅颗粒表面。当银离子存在时,邻近的C-rich DNA能相互结合,形成具有C-Ag+-C结构的双链DNA,从而封堵住介孔,阻止客体分子的释放。巯基类生物分子(GSH和半胱氨酸等)能特异性螯合C-Ag+-C结构中的银离子,使得该双链DNA变性解离,进而打开介孔,释放客体分子。我们利用Ru(bipy)32+作为模式客体分子,将其包裹进介孔通道内;以二硫苏糖醇(DTT)作为模式刺激分子,考察该系统的刺激响应释放行为。实验结果表明,在DTT存在条件下,Ru(bipy)32+能很好地实现控制释放。此外,该DNA分子的开关态能通过银离子和DTT的交替加入来进行调节。同时,该系统能通过胞吞方式进入细胞,并且展现出非常低的细胞毒性(IC50>200μg mL-1)。这些特性使得该DNA分子门控释放系统有望用于细胞内的药物控制释放。五、可再生多功能磁介孔二氧化硅颗粒用于汞离子检测和移除汞离子是水环境中的一种重金属污染物,毒性高,损害人类健康。本章结合磁性纳米颗粒的磁富集特性和介孔二氧化硅纳米颗粒的优点,设计了一种核壳结构的磁介孔二氧化硅纳米颗粒,然后通过EDC/NHS策略分别将能与汞离子特异性结合的DNA(T-rich DNA)和胸腺嘧啶(T)修饰在介孔颗粒表面和介孔通道内部,构建了一种能同时检测和移除汞离子的纳米传感器(Fe3O4@nSiO2@mSiO2-T-TRDNA)。该传感器利用单链T-rich DNA捕获溶液中的汞离子而形成双链结构,以SYBR Green I(特异性嵌入双链而使得荧光增强的染料)对该双链DNA进行染色来达到检测汞离子的目的;而汞离子的移除主要是通过介孔通道内固定的大量能与汞离子特异性结合的胸腺嘧啶来实现。实验结果表明,该纳米传感器不仅实现了理想条件下汞离子检测和移除(检测限为2nM),而且能对环境污染水样中汞离子进行检测和快速移除。此外,该传感器在简单的酸处理下能再生,并且固定在颗粒表面的DNA具有很好的抗酶切稳定性。因此,该可再生多功能介孔二氧化硅颗粒能用于环境水样中汞离子的特异性检测和选择性移除。
摘要第5-8页
Abstract第8-11页
目录第12-16页
本文所用英文缩写词表第16-17页
第1章 绪论第17-43页
    1.1 引言第17页
    1.2 介孔二氧化硅概述第17-19页
    1.3 介孔二氧化硅的制备和修饰第19-23页
        1.3.1 简单介孔二氧化硅的制备第19-20页
        1.3.2 复杂介孔二氧化硅的制备第20-21页
        1.3.3 介孔二氧化硅的功能化修饰第21-23页
    1.4 介孔二氧化硅在刺激响应控制释放中的应用第23-35页
        1.4.1 pH 控制释放第23-26页
        1.4.2 光控制释放第26-28页
        1.4.3 温度控制释放第28-29页
        1.4.4 氧化还原控制释放第29-31页
        1.4.5 生物分子控制释放第31-32页
        1.4.6 其它控制释放第32-35页
    1.5 介孔二氧化硅在生化分析中的应用第35-38页
        1.5.1 在检测中的应用第35-37页
        1.5.2 在分离富集中的应用第37-38页
    1.6 本论文构思第38-43页
第2章 基于胸腺嘧啶功能化介孔二氧化硅的光响应可逆控制释放系统第43-54页
    2.1 前言第43页
    2.2 实验部分第43-47页
        2.2.1 试剂和仪器第43-45页
        2.2.2 介孔二氧化硅纳米颗粒(MSN)的合成与表征第45-46页
        2.2.3 胸腺嘧啶功能化介孔二氧化硅纳米颗粒(TA-MSN)的合成与表征第46页
        2.2.4 TA-MSN 包埋联吡啶钌(Ru(bipy)32+)第46页
        2.2.5 Ru(bipy)32+的释放第46页
        2.2.6 光开关氧传感器的构建第46页
        2.2.7 细胞毒性考察第46-47页
    2.3 结果与讨论第47-53页
        2.3.1 光响应控制释放系统的设计原理第47页
        2.3.2 光响应控制释放系统的合成及表征第47-50页
        2.3.3 光响应控制释放行为第50-52页
        2.3.4 光开关氧传感第52-53页
    2.4 小结第53-54页
第3章 基于 i-motif DNA 和羟基孔雀石绿功能化介孔二氧化硅的光响应可逆控制释放系统第54-66页
    3.1 前言第54页
    3.2 实验部分第54-57页
        3.2.1 试剂和仪器第54-56页
        3.2.2 介孔二氧化硅纳米颗粒的合成第56页
        3.2.3 介孔二氧化硅颗粒的表面活化第56-57页
        3.2.4 MSN-N3颗粒表面共价交联炔基化 DNA第57页
        3.2.5 MGCB 的固定第57页
        3.2.6 Ru(bipy)32+的装载第57页
        3.2.7 Ru(bipy)32+的释放第57页
        3.2.8 光照的细胞毒性试验第57页
    3.3 结果与讨论第57-64页
        3.3.1 光响应 DNA 纳米门控释放系统的设计第57-58页
        3.3.2 光控制释放系统的合成及表征第58-61页
        3.3.3 光响应 pH 变化第61-63页
        3.3.4 光响应控制释放行为第63页
        3.3.5 光响应客体分子的部分释放行为第63-64页
    3.4 小结第64-66页
第4章 基于 T-Hg2+-T 碱基对介导的双链 DNA 功能化介孔二氧化硅的细胞内 pH 响应可逆控制释放系统第66-79页
    4.1 前言第66-67页
    4.2 实验部分第67-70页
        4.2.1 试剂及仪器第67-69页
        4.2.2 氯丙基功能化介孔二氧化硅纳米颗粒(MSN-Cl)的合成第69页
        4.2.3 阿霉素(Dox)的装载第69页
        4.2.4 Dox 的释放第69-70页
        4.2.5 载药颗粒的细胞吞噬与共定位研究第70页
        4.2.6 载药介孔颗粒对 HeLa 细胞毒性的考察第70页
    4.3 结果与讨论第70-78页
        4.3.1 酸响应控制释放系统的设计第70-71页
        4.3.2 酸响应药物释放系统的制备和表征第71-72页
        4.3.3 pH 响应 DNA1 构型变化第72-73页
        4.3.4 MSN-Dox-dsDNA1 的控制释放行为第73-76页
        4.3.5 细胞吞噬和毒性行为第76-78页
    4.4 小结第78-79页
第5章 基于 C-Ag+-C 碱基对介导双链 DNA 功能化介孔二氧化硅的生物分子响应可逆控制释放系统第79-90页
    5.1 前言第79-80页
    5.2 实验部分第80-83页
        5.2.1 试剂及仪器第80-81页
        5.2.2 氯丙基功能化介孔二氧化硅纳米颗粒(MSN-Cl)的合成第81-82页
        5.2.3 DNA 功能化介孔二氧化硅颗粒的制备第82页
        5.2.4 Ru(bipy)32+的装载第82页
        5.2.5 Ru(bipy)32+的释放第82页
        5.2.6 载体颗粒的细胞吞噬与共定位研究第82页
        5.2.7 载体介孔颗粒对 HeLa 细胞毒性的考察第82-83页
    5.3 结果与讨论第83-89页
        5.3.1 刺激响应控制释放系统的设计第83页
        5.3.2 刺激响应释放系统的制备和表征第83-85页
        5.3.3 DTT 响应控制释放行为第85-87页
        5.3.4 细胞吞噬与毒性第87-89页
    5.4 小结第89-90页
第6章 可再生多功能磁介孔二氧化硅颗粒用于汞离子检测和移除第90-104页
    6.1 前言第90-91页
    6.2 实验部分第91-95页
        6.2.1 试剂及仪器第91-93页
        6.2.2 磁介孔二氧化硅纳米颗粒的合成第93页
        6.2.3 外层介孔二氧化硅的活化第93页
        6.2.4 Fe_3O_4@nSiO_2@mSiO_2-NH_2-COOH 纳米颗粒的生物功能化第93-94页
        6.2.5 汞离子检测第94页
        6.2.6 汞离子移除第94页
        6.2.7 河水样品中汞离子的检测和移除第94页
        6.2.8 Fe_3O_4@nSiO_2@mSiO_2-T-TRDNA 纳米颗粒的再生第94-95页
        6.2.9 纳米颗粒表面 DNA 的抗酶切稳定性第95页
    6.3 结果与讨论第95-103页
        6.3.1 磁介孔二氧化硅纳米颗粒的制备和表征第95-98页
        6.3.2 磁介孔二氧化硅纳米颗粒的生物功能化第98页
        6.3.3 汞离子检测和移除的可行性第98-100页
        6.3.4 汞离子检测的灵敏度和选择性第100-101页
        6.3.5 汞离子的移除第101页
        6.3.6 河水样品中汞离子的检测和移除第101-102页
        6.3.7 纳米传感器的再生和酶切保护第102-103页
    6.4 小结第103-104页
结论第104-106页
参考文献第106-128页
附录第128-131页
致谢第131页
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