功能化多壁碳纳米管与生物分子相互作用的光谱研究

论文摘要

本课题主要应用荧光、圆二色等光谱学方法研究了表面功能化多壁碳纳米管（f-MWNTs）与多种蛋白质的相互作用,探讨了影响其相互作用的影响因素,并从与蛋白结合能力以及对酶活性抑制能力上对表面功能化多壁碳纳米管库进行生物分子水平上的筛选。本研究主要包括以下两个方面内容:第一部分通过稳态荧光光谱、时间分辨荧光光谱、圆二色光谱对f-MWNTs与蛋白质之间的相互作用进行分析。表面化学修饰后的f-MWNTs分别带有羧基、酪氨酸、异丁胺等基团;生物分子包括BSA等5种蛋白质。通过将不同浓度的f-MWNTs加入蛋白质溶液,然后分析蛋白质自身荧光的猝灭程度、荧光寿命变化以及蛋白质二级构象变化。结合蛋白质自身物理性质和碳管表面化学性质,对蛋白质与f-MWNTs的相互作用进行了综合分析,得到以下结论:1.利用Stern-Volmer曲线对蛋白质自身荧光猝灭进行分析,加入f-MWNTs后蛋白质的荧光猝灭属于静态猝灭,因此蛋白质与f-MWNTs的结合是生成了稳定的蛋白质-MWNTs复合物;2.静电吸附在蛋白质与f-MWNTs的相互作用中起着至关重要的作用。通过化学修饰,碳纳米管的表面电荷密度发生了改变,从而导致不同表面修饰的碳管与蛋白质相互作用的差异性;3.体积大的蛋白与f-MWNTs的结合能力更强。体积大的蛋白质分子有较大的表面积和较多的氨基酸残基,为与f-MWNTs结合提供了更多的空间;4.直径大的f-MWNTs能结合较多的蛋白质。直径较大的f-MWNTs具有更多的修饰基团,更容易与蛋白质结合。此外蛋白质在碳管上会改变自身构象,使之与碳管的曲率相协调。论文第二部分利用稳态荧光光谱,分别从与蛋白质的结合能力和对糜蛋白酶活性抑制的角度对碳纳米管库进行了筛选。与蛋白结合能力的筛选结果显示,大部分与各种蛋白质结合能力均较弱的f-MWNTs都带有对氯苯酰氯基团;而对糜蛋白酶活性抑制的筛选结果显示,大部分对该酶活性抑制较大的碳管均含有N,N-二丁胺基团。综上所述,本论文从分子水平对f-MWNTs的生物效应进行了体外研究,发现f-MWNTs与蛋白质的结合具有一定的选择性。蛋白质在生命活动中是一种及其重要的大分子,蛋白质构象决定其生理功能。因此,通过改变碳管尺寸、形状、表面电荷或者表面化学基团可以调节其与蛋白质的结合能力,从而降低碳纳米管的生物毒性、提高其生物适应性,确保碳纳米管在生物医药等领域中应用的安全性。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 前言
• 1.1 引言
• 1.2 碳纳米管简介
• 1.3 碳纳米管与蛋白质相互作用的研究进展
• 1.3.1 蛋白质在碳纳米管上的吸附
• 1.3.2 碳纳米管与蛋白质相互作用的机理研究
• 1.3.3 碳纳米管对蛋白质结构和功能的影响
• 1.3.4 研究蛋白质结构的方法
• 1.3.4.1 X射线单晶衍射分析
• 1.3.4.2 圆二色谱法
• 1.3.4.3 紫外可见光谱法
• 1.3.4.4 荧光光谱
• 1.3.4.5 红外光谱法
• 1.3.4.6 拉曼光谱法
• 1.3.4.7 核磁共振法
• 1.4 纳米材料的功能化修饰
• 1.4.1 纳米材料表面功能化对生物分子的作用
• 1.4.2 组合化学的意义
• 1.5 展望
• 第二章 功能化多壁碳纳米管与蛋白质相互作用的影响因素探讨
• 2.1 引言
• 2.2 实验材料和方法
• 2.2.1 实验仪器和试剂
• 2.2.2 多壁碳纳米管的功能化
• 2.2.3 稳态荧光光谱
• 2.2.4 时间分辨荧光光谱
• 2.2.5 圆二色谱
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 多壁碳纳米管功能化修饰
• 2.3.2 f-MWNTs与蛋白质的相互作用
• 2.3.2.1 蛋白质荧光
• 2.3.2.2 稳态荧光猝灭
• 2.3.2.3 蛋白质荧光寿命变化
• 2.3.2.4 蛋白质二级结构变化
• 2.4 结论
• 第三章 功能化多壁碳纳米管库与蛋白质相互作用的筛选
• 3.1 引言
• 3.2 实验材料和方法
• 3.2.1 试剂
• 3.2.2 实验仪器
• 3.2.3 功能化多壁碳纳米管库的合成
• 3.2.4 稳态荧光光谱
• 3.2.5 糜蛋白酶的活性抑制
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 功能化多壁碳纳米管库的设计
• 3.3.2 功能化多壁碳纳米管库的表征
• 3.3.3 稳态荧光光谱
• 3.3.4 糜蛋白酶的活性抑制
• 3.4 结论
• 附图和附表
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间发表论文
• 学位论文评阅及答辩情况表