新型多功能纳米材料的组装及其在生命分析中的应用研究

The project has been proposed for efficient regulation of redox-active biomolecules in the modification and orientation on nano-materials interface, which needs to be adopted by the preparation of the new multifunctional nanomaterials possessing both enhanced Raman spectroscopy signals and good fluorescence response using electrochemistry, surface-enhanced Raman, fluorescence combined with other analysis techniques. Because these techniques have many advantages including in situ analysis, the multiple spectral image and information available, high sensitivity and wider detection range, the technology has been developed for reversible modulation the behavior of redox-active biomolecules based on the novel multi-functional nanomaterials interface, to research the related basic science issues. Firstly, molecular assembly, interface control and surface modification technologies have been employed to prepare the multifunctional nanomaterials with enhanced Raman spectroscopy signals and good fluorescence stability; secondly, a series of redox active molecules functionalized nano-bio interface have been builded. According to the behavior differences of oxidation state and reduced state of redox-active biomolecules in the nano-bio interface, this novel sensing technology has been established using electrochemistry, surface enhanced Raman spectroscopy and fluorescence. The research results are expected to provide the new research ideas for the preparation and application of multi-functional nanomaterials in the field of life analysis, laid the foundation for other redox molecules on the functionalized nanomaterials interface.

本项目针对高效调控活性生物分子在纳米材料界面修饰与取向的需求，拟通过制备同时具有增强拉曼光谱信号和良好荧光响应的新型多功能复合纳米材料，利用电化学、SERS、荧光等多种联用分析技术可原位分析、可获取多种光谱图像和信息、灵敏度高、检测范围广的优点，开发基于新型多功能复合纳米材料界面一系列氧化还原活性生物分子行为的可逆调控技术，研究相关的基础性科学问题。项目首先以分子组装、界面控制及表面改性等技术制备同时具有增强拉曼光谱信号和良好荧光稳定性能的多功能复合纳米材料，并构建了一系列氧化还原活性分子功能化的纳米生物界面；在此基础上，根据氧化态和还原态活性生物分子在纳米生物界面行为的差异，建立基于新型多功能纳米材料和电化学、SERS及荧光于一体的新型传感技术。 课题研究成果可望为多功能复合纳米材料的制备及在生命分析领域的应用提供新的研究思路，为其它氧化还原分子在纳米材料界面功能化奠定了一定的基础。

多功能性复合纳米材料具有良好的生物兼容性，已被广泛应用于生物检测、医学成像、药物释放等方面。量子点作为一种新型的荧光纳米材料，已在生物传感、生物标记、生物成像等方面取得了许多重要成果。金纳米粒子是一种最为常用的贵金属纳米材料，不仅在SERS研究领域发挥了重要的作用，且在生物传感等领域也具有非常广阔的应用前景。鉴于量子点和金纳米材料的优越性质，制备同时具有稳定SERS性能和良好荧光响应的多功能复合纳米材料将在生物分析领域中具有很重要的现实意义。本项目围绕多功能复合纳米材料的合成及性能研究开展了下列一系列工作。首先，1）通过氨基酸片段的桥联作用，将多巴胺分子与量子点进行耦合，构建了多巴胺/氨基酸/量子点体系，研究了多巴胺和量子点之间的相互作用，并进一步研究了胰蛋白酶的活性；2) 将氧化还原蛋白分子通过静电吸附作用在量子点表面，构建了量子点/氧化还原蛋白体系，比较了三种体系的氧化还原特性。其中，量子点/细胞色素c荧光探针实现了体内和体外超氧自由基的检测；3) 构建了金纳米材料/多巴胺氧化还原活性分子功能化的金纳米界面，该体系可在较宽的线性范围内对谷胱甘肽和超氧自由基进行检测，且实现了细胞内ROS的高灵敏检测；4) 在以上工作的基础上，成功合成出双功能纳米材料金纳米颗粒/氨基酸/石墨烯量子点，通过改变金纳米颗粒与石墨烯量子点之间的距离，实现了链长对多功能纳米材料荧光和拉曼信号的调制；5）合成出不同尺寸的金纳米颗粒和不同类型的石墨烯量子点，分别研究了金纳米颗粒的尺寸和石墨烯量子点表面含氧基团的多少对金纳米颗粒/氨基酸/石墨烯量子点体系双功能信号的影响。总之，本课题以功能性纳米材料为主线，结合多种分析技术，不仅获得了在一种纳米材料上被分析物的多种图像和光谱信息，还有效的拓展了纳米材料的应用范围，为人们在分子水平上研究复杂的生物反应过程提供了新手段。