（环境科学专业论文）基于适配体和纳米材料的光学传感器用于水体中agⅠ和hgⅡ的检测研究.pdf

m 2 l s t e rt h e s i so fs o u t h w e s tu n i v e r s i t ) ， 了一个概念性的a g + ，c y s 驱动的双输出荧光d n ai n h i b i t 逻辑门，并可能将其应 用到新一代的分子逻辑门中。 第二部分主要研究基于免标记的适配体对水体中h 矿+ 的分析检测，研究内容 如下： 1 基于吖啶橙和免标记适配体包裹的金纳米粒子( a u n p s ) 构建三通道光学 信号探针用于水体中h 孑+ 检测。实验利用了a u n p s 与单、双链d n a 之间不同的 相互作用力、带正电荷的吖啶橙( a o ) 染料与d n a 之间高的亲和力、a u n p s 对 荧光染料能量转移效率的可调节性等原理用于传感器设计。该实验体系中，选择 富含胸腺嘧啶( t ) 的单链d n a 作为h 孑+ 适配体。当没有h 矿+ 时，适配体包裹着 a u n p s ，可以有效地阻止盐诱导的团聚。此时，溶液的颜色为粉红色，共振光散射 ( r l s ) 信号较低，a o 的荧光被高效猝灭。当h 孑+ 存在时，单链d n a 将形成 t _ h 孑+ _ t 结构。在一定浓度的盐溶液中，形成的双链d n a 对a u n p s 的亲和力降 低，导致溶液的颜色发生变化，i 也s 信号增强，a o 的荧光也得到恢复。首次利用 了靶标物诱导调节免标记适配体包裹的a u n p s 与荧光染料的能量转移效率，该方 法有助于开发其他多通道传感器。 2 基于免标记适配体和m n 2 + 掺杂z n s 量子点( m n - z n sq d s ) 构建室温磷光 ( r t p ) 传感检测水体中的h 矿+ 。l 半胱氨酸( l c y s ) 修饰的m n z n sq d s 在水 溶液中具有很强的i 汀p 。在实验环境p h 条件下，阳离子表面活性剂十六烷基三甲 基溴化铵( c 吖出) 通过静电作用很容易吸附到l c y s 修饰的m n z n sq d s 表面， 阴离子磷酸骨架寡核苷酸链也可以通过静电作用吸附到形成的c t a b m n - z n s q d s 的表面。富含t 碱基的单链d n a 作为h 矿+ 适配体，当h 矛+ 存在时容易形成 t - - h 孑o _ r 双链d n a 结构。这个金属诱导形成的双链d i n a 会导致c t a b 瓜恤z n s q d s 的r t p 猝灭，通过这种方法实现了免标记适配体磷光法对h 孑+ 的分析检测。 i i 关键词：适配体，纳米材料， 光学传感器，重金属离子 a b s t r a c t o p t i c a ls e n s o r sf o r t h ed e t e c t i o no fa g ( i ) a n dh g ( i i ) i nw a t e rb a s e d0 na p t a m e ra n dn a n o m a t e r i a l s m a s t e ro fe n v i r o n m e n t a ls c i e n c e ：w a ny ix i e s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rh o n gq u nl u o a b s t r a c t a p 切幔e r s a r eo fl l i 曲蕊n i t ) ra n ds p e c i f i c i 哆诵t h t a r g e t s t 1 1 e s ea d v a n t a g e s m o t i v a t e da p t 锄e r st ob ef i n db r o a d 印p l i c a t i o i l sf o rb i o s e n s o r sr e s e a r c h n a n o m a t e r i a l s o 啪n o v e lp r o p e r t i e ss u c ha so p t i c a l ，e l e c t r i c ，觚dm a 弘e t i c a p 伽n e r si n t e g r a t e d 、 ，i t h i m o t e c t l i l o l o g yh a v e r e a l i z e dt l l ed e t e c t i o no f t a r g e t s w i mh i 曲s e n s i t i v 时a 1 1 d s e l e c t i v i 锣t h u s ，t h ed e s i 印o fb i o s e n s o rb a s e do na p t a i i l e r s 觚dn a i l o m a t e a l sa r eo f v e r yi l l l p o r t a n t ，p r o s p e c t h lt b j sp a p e r s e v e r a ln o v e lo p t i c a lb i o s e n s o r sh a v eb e e n d e s i g i l e db a u s e do na p t 锄e r sa i l dn a i l o m a t e r i a l s ，锄da p p l y i n g t h e s es e i l s o r sf o rt l e d e t e c t i o no fa 矿强dh 矿i nw a t e r 1 1 1 em a i nc o n t a i l l so f “sr e s e a r c hi n c l u d e 觚o s e c t i o n s s e c t i o no n em a i l l l ys t u d i e dt h ed e t e c t i o no fa g + a i l dc y s t c i r l ei nw a t e rb a s e do n n u o r c s c e n c ed y el a b e l e dd n a t h em a i nc o n t a i n sa r el i s t e d 硒f o l l o w s ： 1 s i l v e “i ) i o n sa i l dc y s t e i n ed e t e c t i o nb a s e do np h o t o i n d u c e de l e c t r o nt r 孤s f e r m e d i a t e db yc y t o s i n e _ - a g o y t o s i n eb a s ep a i r s i nt h ee x p e r i m e n t ，c y t o s i n e ( c ) - r i c h d n aw 嬲u s e d 嬲a 矿印t a i l l e r u p o nf 0 肌a t i o no fc ”o s i n e _ - a 矿y t o s i n eb a s ep a i r s t h en u o r e s c e n c eo ff a m - l a b e l e dd n a w 鹊q u e n c h e d 赳l dt h ef l u o r e s c e n c ee m i s s i o n w a v e l e n g t l le x h i b i t e dar e ds h i r c y sw a su s e dt 0u i l f o l dt h ec - a 矿- cg 仃u c t u r e sb a s e d o ni t ss t r o n gi n t e r a c t i o nw i ma 矿i nm i sc a s e ，b o mt h e 日u o r e s c e n c ei n t e n s i l y ( f i ) a 1 1 d n u o r e s c e n c ee m i s s i o nw a v e l e n g t h ( k m ) w e r er e s t o r e d 谢t ht h ea d d i t i o no fc y s b a s e d o nt h e s ep h e n o m e i mas i m p l ea n dc o s t - e f r e c t i v ed u a l o u t p u tn u o r e s c e n td n as e n s o rf o r a 矿i 伽sa l l dc y s t e i n ed e t e c t i o nw a sd e v e l o p e d i m a s t e rt h e s i so fs o u t h w e s tu n i v e r s n 2 b 嬲e do n 伊a p h e n eo x i d ed e s i g i l e dad u a l o u t p u tn u o r e s c e md n a l o g i cg a t ea 1 1 d n u o r e s c e n t n s o r sf o rt h ed e t e c t i o no fs i l v e ri o n sa i l dc y s t e i n ei n 瞅i t e r n ef ia 1 1 d 九哪 c h a n g e d 晰t hm ea d d i t i o no fa 矿i o n s a 1 1 dc y s ，b a l s e do n + t h ep r o p e r t i e so fg o i n c l u d i n g s e l e c t i v e a d s o 叩t i o n o fs i n g l e s 咖d e d d n a ( s s d i n a ) 锄de x 仃a o r d i n a r i l yh i g l l n u o r e s c e n c eq u e n c m n ge m c i e n c yf o rd y e - l a b e l e ds s d n a ，a n d l ea b i l i t i e so fa 矿t o s t a b i l i z ec _ cm i s m a t c h e s 锄dc y st ou 晌l dm ec _ a 季os t n l c n l r e s m o r e o v e r ，w c s u c c e s s f h l l yd e v e l o p e d ac o n c e p t i m l l yn e wc l a s so fa g + c y s 嘶v c nm l a l - o u t l ) u t n u o r e s c e n td n ai n h i b i tl o g i cg a t e ，u s i n ga 矿a i l dc y sa st l l et 、) l ，0i n p u t s ，m l df ia r l d 入伽o ft h ed y e - l a b e l e dd n a 弱l e 似oo u t p u t s ，w i l i c hm a ye x p 锄d 印p l i c a t i o l l o fm e d u a l 一0 u t p u tf l u o r e s c e n ts e n s o r si nn e wg e n e r a t i o no fm o l e c u l a rl o g i cg a t e s s e c t i o n 咖om a i n l ys t u d i e dt h ed e t e c t i o no fh 孑+ i nw a t e r b a s e do nm ef r e e 1 a b e l e d 印t 锄e r s t h em a i nc o n t a i n sa r el i s t e da sf 0 1 l o 、s ： 1 at i 岫l e c h a i l n e lo p t i c a ls i g n a lp r o b l e 、a u sd e s i g i l e df o rh g z + d e t e c t i o ni na q u e o u s s o l u t i o nb a s e do na c r i d i n eo 砌g e( a o ) a i l da p 觚e r - 、) l ，r 叩p e dg o l dn a l l o p a n i c l e s ( a u n p s ) h lt t l i sp 叩e r ，m y i i l i n e ( t ) r i c hs s d n aw a su s e d 弱h 矿十即i t 锄e r n l e 仃i p l e - c h a l l i l e lo p t i c a ls i g n m sd e v i c ef o rt l l ed e t e c t i o no fh 矿十i o n sb a s e do nt l l es p e c i f i c b i n d i n gi 1 1 t e r a c t i o n sb e t w e e nt - r i c hs s d n aa n dh 十，廿1 ed i f f e r e n t i n t e r a c t i o n so f a u n p s 晰t hs s d n aa n dd s d n a ，t h eh i 曲b i n d i n ga f j f i i l i t ) ro fp o s i t i v e l yc h a r g e da o ( 1 y ef o rd n a 砒l dm em o d u l a t i o no fe f f i c i e n c yo fe n e r g y 缸a n s f e rb e t 、v e e nn u o r e s c e n t d y e s 龇l da l l _ n p s i nt l l ea b s e n c eo fh 矿十i o n st h e 印t a i n e rw 嬲、r 印p e da r o u i l dau _ n p s ， w h i c hc a ne f f e c t i v e l yp r o t e c ta u n p s 舶ms a l t i n d u c e da g g r e g a t i o n n u s ，t h ec o l o ro f m es o l u t i o ni sp i i l k - r e d ，t h er e s o n a n c el i 出s c 甜e r i n g ( r l s ) s i g l l a li sl o w ，趾d 恤 n u o r e s c e n c eo fa oi sp o w e m l i y q u e n c h e d i nt h ep r e s e n c eo fh 矿十，t h es s d n af o m e d t - h 矿一tc o n f i g u r a t i o n a tac e r t a i ns a l tc o n c e m r a t i o n ，t l l i sf o 肌a t i o no fd s d n aw i u r e d u c et h ea 硒n 时w i t ha u n p s ，w h i c hp m d u c e sc o l o r c h a f l g e ，r l ss i 印a l s e n h a i l c e m e n t ，a i l dn u o r e s c e n c eo fa or e s t o r a t i o n t l l i si st h ef i r s te x 锄p l eo fu s i n gt l l e t a r g e t - i n d u c e dm o d u l a t i o no fe m c i e n c yo fe n e r g yt r a l l s f e r b e t 、e e nn u o r e s c e n td y e sa 1 1 d l a b e l e d - 舶ea p t 撇e r 州a p p e da u n p s m o r ei n l p o r t a i l t l y ，“sm e t h o di sh e l p 伽i n d e v e l o p i n go t h e rm u l t i d i m e n s i o n a ls e n s o r s 2 an e wm e t h o dw a su n v e i l e df o rt h ed e t e c t i o no fm e r c u r yi o n si nw a t e rb a s e do n l a b e l 舭e 印t 锄e ra i l dm n d o p e dz n sq 咖t u md o t s ( m n z n sq d s ) m n - z n sq d s w h i c hh a v eb e e ns u r f a c em o d i f i e dw i t hl c y s t e i r l e ( l c y s ) m a te x h i b i ti n t e n s er o o m a b s t r a c t t e m p e r a ：t u r cp h o s p h o r e s c e n c e ( i 盯p ) e m i s s i o ni na 哪l e o u sm e d i a i ti se a s ef o rc a t i o t l i c s u 而c t a i l tc e t y l t r i m e t h y l 锄m o n i 眦b r o m i d e ( c t a b ) t ob i n do n t 0t h es u f f a c eo fl - c y s m o d i f i e dq d sv i ae l e c t f o 删i ci n t e r a c t i o n sa tt h ee x p e r i m e n t a lp h w 池t h ei n c r e a s e d 锄o u mo fc t a bb o u n do nt h es u 矗a c eo ft h eq d s ，仕屺s u r f a c e 、u l d 铲a d u a l l ys h o w p o s i t i v ec 1 1 a r g ep r o p e n i e s 1 1 1 u s ，t h e 蕊砌cb a c k b o n ep h o 啦l a t e so fo l i 9 0 】队l c l e o t i d e s c 锄b ea d s o 舭do nt h ec a t i o i l i cs u r l 洳t a n tb i l a y e ra r o u i l dt h eq d s i nt h ep r e s e n c eo f h 孑+ ， m et r i c hs s d n ar e a d i l y f o 锄 t h 矿+ - t d s d n ac o i l f i g u r a t i o n t h e m e t a l 一i n d u c e df o 彻a t i o no fd s d n ac a i l c a u s e l er t po fc t a b m n z n sq d s q u e n c h i i l g b a s e do nt h i sp h e n o m e 砌，t h j sm e t l l o dc a i lb ea p p l i e df o rt l 托d e t e c t i o no f h 孑+ k e y w o r d s ：a p t a m e b ，n a n o m a t e r i a l s ，o p t i c a ls e n s o r h e 孙7m e t a i v p a r tii n t r o d u c t j o n p a r tii n t r o d u c t i o n 1 i n t e r a c t i o n so fm e t a li o n sw i t hn u c i e i ca c i da p t a m e r s 1 1t h ep r o p e r t i e so fn u c l e i ca c i da p t a m e r s n u c l e i ca c i da p t a m e r sa r en u c l e i ca c i d s p e c i e s ( d n ao ri 矾a ) t h a th a v e b e e n e n g i n e e r e db yt h es e l e x ( s y s t e m a t i ce v o l u t i o no f1 i g a n d sb ye x p o n e n t i a le n r i c h m e n t ) p r o c e s s ( f i g u r e1 ) ，w h i c h 、 ，a 略f i r s td e s c r i b e db ys z o s t a k sa n dg o l d sg r o u p si n19 9 0 【1 ，2 】a p t a i i l e r sa r eu s e 凡l i nd i a g n o s t i c ，b i o t e c t u l o l o g ya n dt h e r a p e u t i ca p p l i c a t i o n sa s t h e yc a nb i n dt oaw i d er a n g eo ft a r g e tm o l e c u l e sw i t hh i 曲a 衔n i t ya n d s p e c i f i c i t y ，s u c h a sd r u g s ，p m t e i n so ro t h e ro 唱a n i co ri n o r g a n i cm o l e c u l e s 【3 7 】a p t 锄e r so r e ne x h i b i t av e r yh i g ha 嫡1 1 i t ) rf o rl h e j rt a 略e t s ，w i l i c hi sd e r i v e df 沁mt h e i rc a p a b i l i t yo f f 0 1 d i n g u p o nb i n d i n gw “ht h e i rt a r g e tm o l e c u l e ，s u c ha st h e yc a ni n c o 印o r a t es m a l l m o l e c u l e s i n t ot h e i rn u c l e i ca c i ds t m c t u r eo rb ei n t e g r a t e di n t ot h es t r u c t u r eo fm a c r o m o l e c u l e s 【8 c i d - n o r p 嘶g e t f i g u r e1 s c h e m ef b rt h es e l e xe n “c h m e n tp r o c e s s b yc o m p 撕s o nw i t ha 1 1 t i b o d i e s ，a p t 锄e rr e c 印t o r sh a v ean u m b e ro fa d v a n t a g e st h a t m a k et h e mv e r yp r o m i s i n gi n a n a l y t i c a l a n d d i a g n o s t i ca p p l i c a t i o n s t h em a i n a d v a n t a g e sa r e ：f i r s t ，a p t 锄e r sw i t hh i 曲a m n 时a n ds p e c m c i t yc a ni np r i n c i p l eb e n 沁 瞅l 。 m a s t e rt h e s i so fs o u t h w e s tu n i v e r s i “ l e c t e df o ra n yg i v e nt a r g e t ，r a n g i n gf r o ms m a l lm o l e c u l e st ol 鹕ep m t e i l l sa n de v e n c e l l s ，t h u sm a l ( i n gi tp o s s i b l et 0d e v e l o pa 、i d er a i l g eo fa p 觚e rb a s e db i o s e i l s o r s s e c o n d ，印t a i i l e r s ，o n c es e l e c t e d ，c 弛b es y n t h e s i z e d 、柝t hh i 曲r e p r o d u c i b i l 埘a n d p u r i t yf 如mc o m m e r c i a ls o u r c e s a l s o ，i nc o n t r a s tt 0p r o t e i n - b a s e da n t i b o d i e so r e n z ) r i i l e s ，d n a 印t 锄e r sa r eu s 砌l yh i 班yc h e m i c a l l y 鼬l e 1 1 1 i r d ，a p t 锄e r so f t e n u 1 1 d e r g os i 印i f i c 锄tc o n f o m a t i o n a lc h a n g e su p o nt a r g e tb i n d i n g t l l i so 脏r sg r e a t n e x i b i l i t ) ri nd e s i 盟o fn o v e lb i o s e n s o 塔诵t hh i 曲d e t e c t i o ns e i l s i t i v 竹锄ds e l e c t i v i 够 【9 】 。 1 2t h em o d e so fm e t a li o n si n t e r a c t i o nw i t hn u c i e i ca c i d sa p t a m e r s 1 2 1m e t a li o n - s t a b i i i i z e db a s ep a i r s h + c a i ls p e c 础ys 协b i l i z et h et 1 1 舯i n 订h y m i n em i s m a t c h e sb a s ep a i r s ( f i g u r e2 a ) k a t zp r o p o s e di n19 6 3t h ef o n l l a t i o no fh g z 十曲y m i n e ( 1 ：2 ) c 0 m p l e x e si nd n a d o u b l es t r 觚d s 【1 0 】a k i r ao n 0a 1 1 dc o 一、v o r k e rr e p o r t e dm ef o n t l a t i o no fan o v e l ， m e t a l - m e d i a t e db a s ep a i r ，砒l dt h es e l e c t i v ec 印t u r eo fa g ( i ) i o n sb yc y t o s i n 争屯y t o s i n e ( c _ c ) m i s m a t c h e st of o mc _ a g _ b 嬲ep a i r si nd n ad u p l e x e s ( f i g u r e2b ) 【11 】i t 甜s or e p o n e dt h a tm e t a li o n ss u c h 嬲z n 2 + ，c 0 2 + a 1 1 dn i 2 + c a i lb ei n t r o d u c e di n t ot h ec o r e o fd o u b l ea tl l i g hp h ，【1 2 ，1 3 】a s ( i i i ) a l l da s ( v i ) h a v el l i g ha l j ! f i i l i 够t 0t h e i r 印t a m e r ( 觚一3 ) 【1 4 】h o w e v e r ，恤s t m c n 鹏o ft h i sf o 肌e dm e t a l - d n aw e r ec o n t r o v e r s i a l l y d i s c u s s e da n dd e s p i t es o m ep r o p o s e ds t m c t u r a lm o d e l s ，t 1 1 ee x a c tp o s i t i o no ft h em e t a l i o n si n s i d eo ra r o u n dt h ed n a 蜘d sr e m a i n su n c l e a r 【15 】 ( a )( b ) f i g u n2 t h ep r o p o s e ds t r u c t u r ef o rt h e ( a ) t _ h 矿+ - tb a s ep a i r 卸d ( b ) c _ a g + 王b a s ep a i r s 1 2 2m e t a ii o n s t a b l i l i z e dg q u a d r o p l e x g u a n i n e - r i c hn u c d l e o t i d e sa r el 【l l o w r i lt of o 肌p l a n a rg u 觚i n eq u a r t e t sl i i l l 【e dt h r o u 曲 h o o g s t e e nh y d r o g e nb o n d sa n da r es t a b i l i z e db ym e t a lc a t i o n s ( f i g u r e3 ) 【16 】m e t a l 2 p a r tii n t r o d u c t i o n i o l l ss t a - b i l i z eq 咖p l e xn u c l e i ca c i d sb yc o o r d i n a t i n gm e0 6g u a i l i n ea t o m s 舶m g q u 习叽e t s f u r t h e rg q u a i d l l l p l e xf o n n a t i o ni sk n o w nt 0b ep r o m o t e db ym o n o v a l e n t ( n r ，k + ，n h 4 + ，t nm e t a li o n s 嬲t h e ys t a b i l i z et h eq u a d r u p l e xb yo c c u p y i n gt h e m i d d l eo ft 1 1 eg 眦i n eq u a r t e tc a v 时a n dc o o r d i n a t e 诵t ht h ef o u rg u 卸i 1 1 eo x y g e na t o m s ， w h e r e a sd i v a l e n tm e t a li o i l s ( s r 2 + ，b a 2 + ，p b 2 + ) ，i n t e r c a l a t eb e t w e e nt 、og q l i a r t e t sb y c o o r d i n a t i n g 、耐t he i 曲t6 x y g e na t o m so fg 岫e sp r e s e mi nt 、) l r op l a i l e s 【17 ，18 】t h e f o n i l a t i o no ft h eg - q u a d 】呷l e xo fd e o x y g 啪o s i n e 谢t ha l k a he a n hm e t a li o n sm 矿+ ， c a 2 + ，s r 2 + ，a i l db a 2 + 、a ss t u d i e du n d e re l e c t r o s p r a yi o m z a t i o nm a l s ss p e c t r o m e 仃y ( e s i m s ) c o n d i t i o n s 1 1 1 ep r e s e mr e s u l t ss u g g e s tm a ta m o n gt h ea l k a l i n ee a n hm e t a l s ， m em e t a l o x y g e nb o n dl e n g t l li sc r i t i c a li ns 切b i l i z i n gt h ed e o x y g u a n o s i n eg q u a d n j p l e x ， b u t ，w i mo m e rd i v a l e n tm e t a li o nl i k ep b z 十，o t h e rf a c t o r sm a y a l s ob er c s p o n s i b l ef o r l e s 讪i l i z a t i o no ft l l eq 幽p l e x t h es 切b i l i 够o r d e ro b t a i l l c df 两m c o m p e t i t i v e e x p e r i m e n t sa n dc o u i s i o n i n d u c e dd i s s o c i a t i o n ( c i d ) s t u d i e si ss r 2 牛 b a 2 + p b 2 + c a 2 + m 9 2 + t h eo b s e e dr e s u l t si nt h ep r e s e n te s i - m ss t u d yo fd e o x y g 啪o s i n ei n t i l e p r e s e n c eo fa l k a l i n ee 枷lm e t a l i o n ss u g g c s tm a tt h em e t a l - o x y g e nb o n di s r e s p o n s i b i ef o rt h e 蛳l b i l i z a t i o no fq 咖p l e xs t r u c t u r e s 【19 】 f i g u r e3 1 1 1 es t r u 咖r e0 f t h e m e t a li o n - s t a b l i l i z e dg - q u 础o p l e x 1 2 3s t r a n db r e a k a g e “t i a ls e l e c t i o ne 肋n sb yb r e a k e ra i l dj o y c eb a c ki n19 9 4l e dt ot i l ef i r s tr e p o n e d d n a e n z y m e - am e t a l i o n - d e p e n d e mr n a c l e a v i n gd e o x y 曲o z ) ，i i l e 【2 0 】o v e rt h ep a s t t w od e c a d e s ，d n a z ) r m e sl l i g h l ys p e c i f i cf o rc o f a c t o r ss u c ha sp b 2 + ，c u 2 + ，m 矛+ ，c a 2 + ， z n 2 + ，c 0 2 + ，m n 2 + ，u 0 22 + ，枷h 9 2 + h a v eb e e ni s o l a t e dt h r o u 曲i nv i 仃os e l e c t i o n 【21 2 8 】 t h es u b s t r a t es 仃甜l di sf i r s th y b r i d i z e dw i t ht h ee m 万m es t r a n d i nm ep r e s e i l c eo ft a r g e t m e “i o n s ，t h es u b s t r a t ec l e a v e si n t ot 、 ，o 纳g m e n t s ( f i g u r e4 ) 3 s 一沁三孥 f i g u r e4 a 够p i c a l r e a c t i 。ns c h e m ef o rd n a 巧m e - 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