多壁碳纳米管与牛血清白蛋白和α糜蛋白酶的作用研究

论文摘要

随着碳纳米管的广泛使用,各种形式、尺寸的碳纳米管已经开始以不同途径应用于生产和生活。与此同时,碳纳米管的安全性问题也引起了各国政府、研究机构和公众的广泛关注。由于小尺寸效应、量子效应和巨大比表面积等,碳纳米管具有特殊的理化性质。进入人体后,它们与人体之间的相互作用与化学成分相同的常规物质有很大不同,甚至可能包含人类尚未充分了解的全新生物效应作用机制。碳纳米管可以通过呼吸道吸入、食物链经消化道摄入和皮肤接触等渠道进入生命体内,造成生命体组织器官的损伤。在进入生命体,通过组织液、血液到达组织器官之前,碳纳米管首先会与组织液、血液中的蛋白接触并发生作用,到靶器官后又与靶器官中的蛋白质发生作用,并呈现出一定的生物学效应。因此研究碳纳米管与功能性生物大分子的作用机理是非常必要的。关于碳纳米管毒性研究,目前的研究方法多以生物毒性实验为主,但该方法很难从分子水平上解释碳纳米管生物体的毒性作用机理。蛋白质是生命体的物质基础,是生命体各种功能的直接执行者,其结构变化将导致生命体功能的紊乱,导致很多疾病的产生。环境中的很多的小分子污染物进入机体后都能够对机体内的蛋白质产生毒性作用从而使其变性和功能的丧失。因此,研究环境污染物对蛋白质的毒性作用一直是环境污染与健康领域的热门课题。本论文选择牛血清白蛋白（BSA）和α-糜蛋白酶（α-CT）为靶分子在功能蛋白质分子水平上利用荧光光谱、紫外-可见吸收光谱、圆二色性光谱、透射电镜等技术或手段从不同角度研究了碳纳米管与蛋白质的作用机理,建立了一种全面评价纳米材料与生物大分子作用的新方法。本论文共分五章内容,具体如下：介绍了主要的污染物毒性的评价方法、蛋白质分子的概况；分哺乳动物体内试验、体外实验,生物大分子实验,植物实验,水生生物实验、微生物实验几个方面对最近几年碳纳米管毒理研究的进展做了综述并对今后的研究方向做了前瞻性讨论。通过热重分析、红外光谱、荧光光谱、紫外可见光谱、时间-分辨荧光光谱、圆二色谱、透射电镜等技术研究了羧基化碳纳米管对BSA结构的剂量-效应关系；发现BSA分子可以非特异性地通过静电力与羧基化碳纳米管结合,使BSA分子结构变得疏松,通过去除荧光内滤效应发现,蛋白质原本处于一个相对疏水的环境中的三个发光基团也因此处于一个相对亲水的环境；通过分析紫外可见光谱,我们发现并解释了BSA骨架结构由不同量的碳纳米管而引起的微环境的改变。碳纳米管与BSA结合也会因两者比率不同而不同。通过分析荧光寿命可知两者结合属于静态猝灭过程。此外,蛋白质的二级结构也发生变化,α螺旋含量降低,p折叠含量上升。通过红外光谱、荧光光谱、紫外可见光谱、圆二色谱、透射电镜等技术在分子水平上研究了不同直径的碳纳米管对BSA结构变化的影响,并做了机理上的解释。实验发现碳纳米管可以使BSA荧光强度降低,且同等量的小直径碳纳米管比大直径碳纳米管对BSA的荧光猝灭更加明显。随后通过吸收光谱、透射电镜等方法表明碳纳米管在小直径碳纳米管上结合更紧密；圆二色谱研究对碳纳米管直径对BSA二级结构的影响做出了直观的反映。运用红外光谱、(电位测量、荧光光谱、紫外可见光谱、圆二色谱、透射电镜等方法研究了碳纳米管表面羧基密度对α-CT结构的影响：碳纳米管使α-CT分子二级结构中α-螺旋比例下降,骨架结构变得松散,同时使得α-CT内部疏水区的Trp等芳香环氨基酸的暴露增强,α-CT自身的特征荧光明显猝灭,且羧基密度越大,上述影响越明显。最后对本论文的研究部分进行了总结,并对这种新的评价方法今后的发展方向做了展望。本论文丰富了纳米材料对生物大分子毒性的研究手段,为碳纳米管毒性机理研究提供了参考,提高了人们对碳纳米材料安全性的认知度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 第一节 污染物的毒性评价方法
• 第二节 蛋白质概况
• 1. 蛋白质的基本资料
• 2. 血清白蛋白
• 3. α糜蛋白酶
• 第三节 碳纳米管生物毒性研究综述
• 1. 碳纳米管表面修饰
• 2. 碳纳米管体内毒性试验
• 3. 碳纳米管体外毒性试验
• 4. 碳纳米管对其他物种的毒性
• 5. 碳纳米管与生物大分子的作用
• 6.小结
• 第四节 研究方法与技术
• 1. 红外光谱技术
• 2. 透射电镜技术
• 3. 热重分析技术
• 4. 荧光光谱技术
• 5. 紫外-可见吸收光谱技术
• 6. 圆二色性光谱技术
• 7. 时间分辨荧光光谱技术
• 第五节 本论文的研究背景与研究内容
• 1. 研究背景
• 2.研究意义
• 3.研究内容
• 第二章 BSA吸附于碳纳米管表面的综合光谱学研究
• 1 引言
• 2 实验部分
• 2.1 仪器
• 2.2 试剂
• 2.3 实验方法与步骤
• 3 结果与讨论
• 3.1 碳纳米管的表征
• 3.2 BSA与碳纳米管结合后构型变化和机理的研究
• 3.3 透射电镜表征
• 3.4 体系的热动力学计算
• 3.5 圆二色光谱研究碳纳米管对BSA结构的影响
• 3.6 研究离子强度对BSA-碳纳米管结合的影响
• 4 结论
• 第三章 碳纳米管直径对牛血清白蛋白结构影响的分子水平研究
• 1 引言
• 2 实验部分
• 2.1 仪器
• 2.2 试剂
• 2.3 实验方法与步骤
• 3 实验结果与讨论
• 3.1 碳纳米管的表征
• 3.2 光谱学研究影响BSA结构的因素
• 4 结论
• 第四章 碳纳米管表面基团密度对α-糜蛋白酶结构影响的分子水平研究
• 1 引言
• 2 实验部分
• 2.1 仪器
• 2.2 试剂
• 2.3 实验方法与步骤
• 3 结果与讨论
• 3.1 混酸修饰和γ射线辐射对碳纳米管红外光谱影响
• 3.2 不同修饰密度碳纳米管作用下BSA的荧光光谱
• 3.3 体系的吸收光谱
• 3.4 体系的圆二色光谱
• 4 结论
• 第五章 全文总结和展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士研究生期间发表的学术论文目录
• 学位论文评阅及答辩情况表