摘要
生物体内参与各种化学反应的生物分子（如氨基酸、多巴胺和各种生物酶等）的含量会直接影响生物体的健康。实现对生物分子的灵敏分析对疾病的诊疗具有重要意义。传统医学检测手段包括比色法、电化学法、质谱法和色谱法等。尽管这些检测技术具有较高的灵敏度和可靠性，但仍然存在如预处理步骤繁琐和设备昂贵等问题。相比之下，荧光法由于其灵敏度高、操作简单、响应快速且成本低廉等优势而被广泛应用于生物传感领域。基于此，选择适当的材料为荧光探针并构建高效且灵敏的荧光传感平台是当下研究的重点和热点。 金属纳米簇（NCs）由于其光学性能可调、毒性较低且易于修饰等优点在生物医学和环境分析等领域展现出广阔的应用前景。迄今为止，对NCs物理化学性质的研究已取得较大进展，但仍面临量子产率低和尺寸不易调控等问题，这严重限制了其实际应用。本论文首先制备出单分散的5-甲基-2-硫脲嘧啶稳定的金纳米簇，然后通过尺寸调节、金属掺杂和配体结构调控等策略调节其物理化学性质，制备出几种新型荧光金属纳米簇。结合透射电镜、X-射线光电子能谱、傅里叶变换红外光谱、紫外-可见吸收光谱和荧光光谱等表征技术，我们对金属纳米簇的形貌、结构和发光机制进行了系统的探究。将制备的荧光NCs与其它荧光分子或纳米催化材料相结合，我们构筑了一系列荧光传感平台，实现了对生物分子（α-葡萄糖苷酶、黄嘌呤、碱性磷酸酶以及肌氨酸）的灵敏检测。本论文主要由以下六部分组成： 第一章，我们简要介绍了金属纳米簇的研究背景、制备、荧光性能的调控策略及其在光学传感器中的应用，总结了本论文的研究内容和选题意义。 第二章，我们以5-甲基-2-硫脲嘧啶（5-MTU）为还原剂和稳定剂制备了出荧光发射波长可调的金/银合金纳米簇（Au/AgNCs）。在最佳Au/Ag摩尔比下，低浓度的5-MTU生成了绿色荧光的Au/Ag(g)NCs，高浓度的5-MTU则有利于生成红色荧光的Au/Ag(r)NCs。通过将Au/Ag(r)NCs与荧光聚多巴胺（PDA）结合，我们开发了一种比率荧光探针用于α-葡萄糖苷酶的灵敏检测。首先，多巴胺（DA）在甘氨酸-氢氧化钠缓冲溶液中自聚合形成在470nm处有荧光发射的聚多巴胺（PDA），并通过光致电子转移（PET）机制猝灭Au/Ag(r)NCs在600nm的荧光发射。向体系中加入α-葡萄糖苷酶时，底物2-O-α-D-吡喃葡萄糖基-L-抗坏血酸（AAG）被水解生成抗坏血酸（AA）。生成的AA能够有效地抑制DA的自聚合过程，从而使PDA在470nm处的荧光强度降低，Au/Ag(r)NCs在600nm处的荧光信号增强。通过监测荧光信号强度比F600/F470的变化可以实现对α-葡萄糖苷酶定量分析。此外，构筑的Au/Ag（r）NCs/PDA比率荧光探针还可用于α-葡萄糖苷酶抑制剂阿卡波糖的筛选。 第三章，基于5-甲基-2-硫脲嘧啶和溶菌酶之间的相互作用，我们设计并制备出溶菌酶功能化的5-甲基-2-硫脲嘧啶稳定的金纳米团簇（5-MTU-LZ@GNCs）。通过将黄色荧光的5-MTU-LZ@GNCs和具有仿过氧化物酶催化作用的铁掺杂纳米片（Fe/CNS）相结合，我们构建了一个灵敏度高且抗干扰性强的荧光检测平台用于黄嘌呤的检测。在O2存在下，黄嘌呤被黄嘌呤氧化酶（XOD）催化氧化生成尿酸和过氧化氢（H2O2）。生成的H2O2在Fe/CNS的催化下生成活性氧（ROS，O2·?/1O2），进而将对苯二胺（PPD）氧化为PPDox。生成的PPDox能够通过荧光共振能量转移（FRET）机制猝灭5-MTU-LZ@GNCs在550nm处的荧光发射。我们通过监测体系荧光强度的变化，实现了对黄嘌呤的灵敏分析。基于5-MTU-LZ@GNCs和Fe/CNS构建的荧光传感平台不仅为黄嘌呤的检测提供了新的思路，也拓宽了纳米簇/纳米酶在生物分析领域的应用。 第四章，基于5-甲基-2-硫脲嘧啶和溶菌酶的相互作用以及Au和Ag之间的协同作用，我们合成出溶菌酶修饰的5-甲基-2-硫脲嘧啶稳定的金/银合金纳米簇（5-MTU/LysAu/AgNCs）。通过将5-MTU/LysAu/AgNCs与石墨烯结构的纳米酶（Fe-GNanozyme）相结合，我们建立了一种“关-开-关”模式的荧光传感平台用于碱性磷酸酶（ALP）的灵敏检测。首先，靛蓝胭脂红（IC）通过内滤作用（IFE）猝灭5-MTU/LysAu/AgNCs在600nm处的荧光强度。向体系中引入H2O2和Fe-GNanozyme时，产生的活性氧（ROS，1O2/O2?–）能够促进IC氧化降解，从而恢复5-MTU/LysAu/AgNCs的荧光发射。当体系中同时存在ALP和抗坏血酸-2-磷酸酯（AAP）时，产生的抗坏血酸（AA）能够抑制IC的氧化降解，从而降低5-MTU/LysAu/AgNCs的荧光强度。通过将ALP/AAP与Fe-GNanozyme/IC结合，我们构筑了一个基于酶/纳米酶级联反应的荧光传感平台用于ALP的特异性分析。此外，该方法对血清样品中ALP的测定取得了令人满意的结果。 第五章，我们以5-甲基-2-硫脲嘧啶为稳定剂制备出黄色荧光的金纳米簇（AuNCs）。同时，以色氨酸-铜纳米片（CuTNS）和石墨相氮化碳（g-C3N4）为原料，我们采用一步热解法制备了具有仿过氧化物酶活性的氮掺杂铜纳米片（CuT@NNS）。以AuNCs为荧光探针，CuT@NNS为过氧化物酶的替代物，我们构筑了一个荧光传感平台用于肌氨酸测定。在检测体系中，肌氨酸被肌氨酸氧化酶（SOx）催化氧化生成过氧化氢（H2O2）。CuT@NNS将产生的H2O2分解并生成活性氧（ROS，O2??）。在ROS的氧化下，苯酚与4-氨基安替比林（AAP）偶联生成粉红色的醌亚胺染料（p-QID）。然后，p-QID通过内滤作用（IFE）猝灭AuNCs在560nm处的荧光发射。我们通过将肌氨酸/SOx与p-QID/CuT@NNS结合，构筑了一个基于酶/纳米酶级联反应的荧光传感平台用于肌氨酸的特异性检测。此外，通过对尿液样品中肌氨酸含量的分析，我们确认了该荧光传感平台具有良好的准确性和实用性。 第六章，我们对本论文的研究工作进行了系统的总结，并对金属纳米簇未来的发展方向进行了展望。
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