磁性石墨烯复合材料对完整蛋白质的富集分离研究

This study intends to develop functional magnetic graphene-based nanomaterials for enrichment and separation of intact protein in proteomics analysis.Firstly magnetic microspheres having a high magnetic responsiveness and good dispersibility will be synthesized. Then, the magnetic cores are modified with different functional groups, which also serve to protect the magnetic core. Finally, graphenes as shell are bonded to the magnetic core by covalent binding or an electrostatic interaction. Such core-shell structure endows magnetic graphene nanocomposites obvious advantages, such as good stablility, more adsorption sites and high load capacity for target sample. The standard proteins will be employed to test the high enrichment efficiency of Fe3O4@SiO2@G core-shell composites. With the help of external magnetic field, nanoparticles absorbed with proteins can be rapidly separated from the solution. After the elution, the proteins will be digested and then identified using MALDI-TOF-MS or LC-MS.The new method will be applied for the study of liver and serum protein science in order to find potential biomarkers.

本研究拟发展一种具有核-壳结构的功能化磁性石墨烯纳米材料，结合LC-MS技术，建立对生物样品中的低丰度完整蛋白质快速富集与分析的新方法。本研究首先合成具有高磁响应性及良好分散性的磁性微球，然后对磁球进行功能化修饰，一方面为后面的合成修饰一些必要的官能团，另一方面起到了保护磁核，增强材料亲水性和分散性的作用；再把石墨烯壳层通过共价键合或者静电相互作用包覆在修饰过后的四氧化三铁磁核表面，形成核-壳结构，这样石墨烯的结合量会更大，进而吸附位点和负载容量也会大大提高。制得的磁性石墨烯材料将通过不同性质的标准蛋白质来验证其富集效能，利用磁性分离技术，将吸附了蛋白质的磁性纳米材料快速与基体溶液分离开来，洗脱下来的蛋白质经过酶解后采用MALDI-TOF-MS或者LC-MS进行分析鉴定。最后该新方法用于富集分离肝脏和血清等复杂样品中的低丰度蛋白质，以期找到潜在的生物标志物。

开展对中低丰度蛋白质，包括翻译后修饰蛋白质以及内源性蛋白质等不同种类蛋白质的富集研究，可以为寻找与疾病相关的生物标志物提供有效的技术支持。磁性石墨烯复合材料由于整合了多个材料的不同功能，在生物富集方面展现出了巨大潜力。因此，开发基于磁性石墨烯的多功能复合材料应用于高效富集蛋白质/肽的新方法研究是极具吸引力的。.项目研究期间，开发一种具有核-壳结构的磁性石墨烯复合材料，以超顺磁性的四氧化三铁为核心，对该磁核包覆一层壳聚糖，接着再把石墨烯壳层通过共价键合或者静电相互作用包覆在修饰过后的磁核表面，形成核-壳结构，最后成功的将其应用于中低丰度蛋白质富集鉴定。.此外，以磁性石墨烯为基底，分别设计开发了四种石墨烯衍生的磁性复合材料（聚酰胺-胺型树枝状聚合物、硼酸、共价有机骨架、金属有机骨架修饰的磁性石墨烯复合材料）用于糖肽富集新方法的研究。1、以磁性石墨烯为基底，在外面包覆上一层亲水性的聚多巴胺，最后通过席夫碱的反应接枝上聚酰胺-胺型树枝状聚合物，从而合成一种磁性石墨烯复合材料用作糖肽的富集。2、基于硼酸与糖肽结构中含有的顺式邻位二羟基在碱性条件下形成环内二酯，在酸性条件下又能发生解离可逆释放糖肽的原理。我们首先设计合成了硼酸修饰的磁性石墨烯复合材料用于糖肽富集分离新方法研究。3、基于亲水相互作用机理，考虑到实际样品的复杂性以及多孔共价有机骨架（COFs）材料的体积筛分能力，我们首次设计合成了COF-5修饰的磁性石墨烯复合材料（MagG@COF-5）用于糖肽富集分离新方法研究。实现了对痕量样品（0.5 fmol/μL）中糖肽的高效富集，展示出良好的尺寸筛分效应和可循环使用性能。从正常人血清（1 µL）中，该材料成功富集检测到232条糖肽和85个糖蛋白。4、基于上述研究结果，考虑到多孔金属有机骨架（MOFs）材料与COFs材料结构的相似性，我们设计合成了Zn-MOFs功能化的磁性石墨烯多孔复合材料（MG@Zn-MOFs）用于糖肽富集分离新方法研究。