化学Fe3O4Au磁性复合纳米颗粒的合成及其用于BSA的检测.docx

1、化学Fe3O4Au磁性复合纳米颗粒的合成及其用于BSA的检测化学Fe3O4-Au磁性复合纳米颗粒的合成及其用于BSA的检测FeO-Au磁性复合纳米颗粒的合成及其用34于BSA的检测 姓 名: 朱 院 部: 化学化工学院 专 业: 化 学 学 号: 指导教师: 张 2012 年5月18日摘要. .? Abstract . .? 1 引言. 3 1.1研究背景. 2 1.2 牛血清白蛋白 . 2 1.3 研究方法. 3 1.4 课题研究意义 . 3 2 实验部分. 4 2.1 金包四氧化三铁纳米粒子的合成 . 4 2.1.1 仪器和试剂 . 4 2.1.2 FeO-Au 的制备实验原理图 . 4

2、342.1.3 磁性FeO纳米颗粒的制备. 4 342.1.4 APTES 修饰FeO 纳米粒子 . 5 342.1.5 FeO-Au 的制备 . 5 342.2 纳米金的制备 . 6 2.3 纳米金对BSA的检测及FeO-Au复合纳米颗粒对BSA的检测 . 6 342.3.1 纳米金对BSA的检测 . 6 2.3.2 FeO-Au复合纳米颗粒对BSA的检测 . 6 343 结果与讨论 . 7 3.1 表面修饰-NH的FeO磁性纳米颗粒的红外表征 . 7 2343.2 FeO-Au复合纳米颗粒紫外表征 . 7 343.3 FeO-Au 复合纳米粒子共振光散射 . 8 343.4 不同浓度BSA

3、 的共振光散射 . 8 3.5 纳米金检测不同浓度的BSA共振光散射 . 9 3.6 FeO-Au 复合纳米粒子检测不同浓度的BSA共振光散射. 10 344 结论. 11 参考文献. 12 英文文献译文 . 13 英文文献原文 . 23 II FeO-Au磁性复合纳米颗粒的制备和用于BSA的检测 34摘要 采用溶剂热制备了分散性很好的FeO磁性纳米颗粒, 并以FeO磁性纳米颗粒为壳，34 34 并在其表面修饰APTES，然后加入氯金酸，接着滴加柠檬酸钠进行还原，通过超声化学法成功合成了具有磁性的铁核金壳的复合纳米颗粒。并通过紫外，红外，共振光散射进行表征。吸收光谱显示Au壳层成功包覆在了Fe

4、O纳米核的表面。这种具有核壳结构的多功能材料34 不仅可以应用于将来的磁性分离, 而且还可以应用于生物分子的检测。本文用FeO-Au磁34性复合纳米颗粒通过共振光散射来检测不同浓度的牛血清白蛋白(BSA)。 关键词 磁性复合纳米颗粒;紫外光谱;共振光散射;牛血清白蛋白 Preparation of FeO-Au magnetic composite nanoparticles and 34its application in detection of BSA Abstract In this paper, FeO-Au magnetic composite nanoparticles were

5、 prepared. Firstly, magnetic 34iron oxide nanoparticles were prepared with good dispersity using solvothermal method. Secondly, iron oxide nanoparticles were coated with amino group. Then chloroauric acid was added and reduced onto the surface of iron oxide nanoparticles by sodium citrate. The resul

6、tant FeO-Au 34magnetic composite nanoparticles were characterized using UV-vis, infrared and resonance light scattering spectroscopy. Finally, the composite nanoparticles were used to detect BSA molecules. Key words Magnetic composite nanoparticles; Ultraviolet spectrum;Resonance light scattering; B

7、ovine serum albumin 1 引言 III 1.1研究背景 近年来，磁性纳米材料被广泛应用于磁流体、磁记录材料、磁催化、巨磁电阻材料、生物医学材料和雷达吸波材料等领域。但由于其较大的比表面积和本身固有的磁性, 铁氧化物磁性纳米颗粒在人体pH环境下容易引起聚集, 因而限制了它的应用。 因此，提高材料的性能和改善纳米粒子的缺陷, 核壳结构的纳米复合材料开始走进人们的视线。随着人们对磁性纳米材料性能认识及应用要求的不断提高, 制备单一纳米材料越来越难以满足应用要求,为了提高其化学稳定性和生物相容性, 我们需要对铁氧化物进行进一步的表面修饰。因其具有特殊的结构和性质, 近年来由于金磁复合

8、纳米颗粒具有合成简单、光学信号突出、易于修饰等特点, 以及成核材料所具有的磁学性质，受到人们的广泛关注。该类型复合材料在以四氧化三铁为核、以金为壳包裹在四氧化三铁的表面，从而合成复合纳米颗粒。具有超顺磁性的铁氧化物已经被应用到生物检测和成像、药物的靶向释放和基因治疗等领域, 由于金具有良好的化学稳定性和生物相容性及特殊的光谱性, 且表面生物修饰也很容易做到, 因此, 这种具有金包裹层的核壳结构有效克服了磁性纳米颗粒稳定性差, 容易团聚, 表面功能基团少等缺点, 并且给核壳结构的磁性纳米粒子带来了许多单一磁性材料无法得到的新特性,有助于保护内核, 以减少内核的氧化和腐蚀, 提高纳米颗粒的化学稳定

9、性, 并且通过表面氨基化修饰呈现出较好的生物相容性,和共振光散射信号。 1.2 牛血清白蛋白 血清白蛋白是血浆中含量最丰富的载体蛋白,主要起维持渗透压、pH缓冲、载体和营养9作用，可与许多内源和外源性化合物结合，具有储运内源性代谢产物和外源性药物小分子10(离子)等重要生理功能。 牛血清白蛋白(bovine serum albumin, BSA)是人们研究较多的模型蛋白质，具有与人血清白蛋白相似的结构，如图1-2所示。 图1-2牛血清白蛋白的结构 BSA是牛血清中的简单蛋白，是血液的主要成分(38g/100ml)，分子量68kD。等电点4.8。含氮量16%，含糖量0.08%。仅含已糖和已糖胺，

10、含脂量只有0.2%。BSA是由582个氨基酸残基组成的单肽链蛋白质，分子量约为65000。其氨基酸序列与人血清白蛋白(HSA)非常相似。BSA肽链也含有35个半胱氨基酸残基，仅34位上含有一个巯基，其余都为二硫键，二硫键中有8对组成交叉二硫键，只有接近N端是一个单个二硫键。与HAS不同的是，BSA的N端也是天冬氨酸残基(Asp)，但C端是丙氨酸残基(Ala)，BSA在134及212位上都含有一个色氨酸残基(Trp)。 2 1.3 研究方法 目前, 研究者们已经致力于开发各种方法来合成FeO-Au磁性复合纳米颗粒。一般来说, 34合成FeO/Au 核壳型磁性复合粒子, 主要是通过种子聚合法或用超

11、声的方法即在过量的 34FeO的种子存在下, 还原HAuCl，在磁性粒子表面包覆一层金纳米粒子. 这种方法主要34 4是通过磁性粒子表面的负电荷和金粒子表面的正电荷发生静电吸附成核生长,复合粒子之间的作用力比较弱; 另外一种方法是通过组装的方法, 用偶联剂连接两种纳米粒子, 通过化学键的相互作用, 得到的复合纳米粒子比较稳定, 不易被外界条件破坏.磁性微球的氨基化已有报道，且NH 和胶体金有较强的结合力. 本文首先氨基化磁性粒子,然后在室温下和2胶体金偶联, 自组装制备了金磁复合纳米微粒. 本文研究中, 我们通过溶剂法合成具有磁性的FeO纳米颗粒; 利用APTES作为连接34剂，加入FeO纳米

12、颗粒并在甲苯做溶剂的条件下回流搅拌修饰上NH，在FeO纳米颗34234粒表面修饰氨基后,加入氯金酸和柠檬酸钠，利用金离子与表面修饰上氨基磁粒的 RNH2 之间的配位作用,在超声条件下通过一种间接的方法简单迅速地实现了具有稳定结构的磁性FeO-Au 复合纳米粒子的制备超声反应，再进一步通过layer by layer法和种子生长法合成34出了具有核壳结构的FeO-Au纳米颗粒。 34共振光散射光谱法是近几年发展起来的一种新的分析技术。该方法简单，灵敏度高，可以用普通的荧 光分光光度计测量，因此在蛋白质 和核酸_3 等生物大分子的研究中得到了广泛的应用。本文用共振光散射的方法来探究FeO-Au复合

13、纳米颗粒对牛血清白蛋白的检34测。由于BSA 侧链残基带有负电荷，可通过静电作用结合在纳米金表面形成 AuNP-BSA复合物，并阻止其聚集，从而以小粒径的颗粒稳定存在。FeO-Au复合纳米颗粒的共振散34射光谱随复合物浓度变化规律，初步建立了痕量BSA 的定量测定方法。 1.4 课题研究意义 本文制备的核壳结构的FeO-Au纳米颗粒具有超顺磁性，高的磁响应性，因此, 这种具34有金包裹层的核壳结构有助于保护内核, 以减少内核的氧化和腐蚀, 提高纳米颗粒的化学稳定性, 并且通过表面氨基化修饰呈现出较好的生物相容性。在磁共振成像(MRI) 、癌症等疾病的靶向治疗、生物分离、酶或蛋白质的固定、细胞筛

14、选、核酸纯化以及生物传感器方面都有研究报道具有好的单分散性。 这里我把FeO-Au复合纳米颗粒对牛血清白蛋白进行检测，34初步建立了痕量BSA 的定量测定方法。 3 2 实验部分 2.1 FeO-Au纳米颗粒的合成 342.1.1 仪器和试剂 RF-5301PC 型荧光分光光度计(日本 Shimadzu 公司)，760CRT型双光束紫外-可见分光光度计(上海精密科学仪器有限公司)，傅里叶红外仪，反应釜，烧杯，圆底烧瓶，玻璃棒 ，移液枪，容量瓶，烘箱，真空干燥箱，加热套，冷凝管，磁子，电子分析天平，数控超声波清洗器，pH试纸 FeCl?6HO，乙二醇(分析纯)，无水乙酸钠(分析纯)，柠檬酸钠(

15、NaCHO?2HO)，326572氯金酸( HAuCl?4HO)，无水乙醇 ，APTES(分析纯)，甲苯，王水，实验用水均为超纯水(18 42M) ，BSA(0.1M) ，KCl (10%的溶液) 2.1.2 FeO-Au 的制备实验原理图 34图2-1 FeO-Au磁性纳米颗粒的合成原理图 342.1.3 磁性FeO纳米颗粒的制备 34原理: 溶剂热法也是制备四氧化三铁磁性纳米颗粒的一种较成熟的方法，利用反应釜内高温高压的环境，使原料快速反应、重结晶得反应产物，溶剂热法主要受铁离子的浓度、种类、比值，CHCOO的浓度，体系pH值，反应温度，反应时间等因素的影响。反应原理如33+下:Fe+CH

16、COO+HOCHCHOH?FeO+CH3COO(CH)COOCH32234223 实验步骤:称取无水乙酸钠6mmol，FeCl?6HO 1.2mmol，溶于20mL乙二醇中，搅拌32超声使溶液均一稳定，将混合均匀的反应液转入反应釜中，200?下反应8h(控制升温时间在30分钟)，反应完毕取出反应釜使自然冷却后，采用磁倾析法，用超纯水和无水乙醇轮流洗涤至水洗液的pH值为中性，除去产物表面的杂质，得到分散性很好的磁性FeO纳米颗34粒，产物4?下保存在乙醇中防止被空气氧化。下图为制备好的FeO纳米颗粒: 344 图2-2 2.1.4 APTES 修饰FeO 纳米粒子 34原理:对于FeO纳米粒子，

17、如果直接在其表面修饰Au比较困难，和有机分子末端的34 氨基有好的亲和力，所以我们在用金修饰之前，先首先通过 APTES将FeO纳米粒子表面34 修饰上NH 官能团,根据软硬酸碱规则与配合物稳定性原理, 金离子作为软酸往往在水溶液2中能与 RNH形成配合物, 导致金离子逐渐被牢固地吸附到磁性纳米粒子的表面。 2实验步骤:取0.5g制备好的FeO纳米颗粒，分散于50mL甲苯中，倒入圆底烧瓶，34 加入1mL APTES，搅拌下80?回流8h，反应物采用磁倾析法，用超纯水和无水乙醇轮流洗涤至水洗液的pH值为中性，除去产物表面的杂质，产物4?下保存在乙醇中防止被空气氧化。 铁离子浓度低一点有助于合成

18、分散性好的颗粒。下图左侧为制备好的FeO-Au 纳米34颗粒: 图2-3 2.1.5 FeO-Au 的制备 34，30原理:通过柠檬酸纳和超声化学的还原作用, 将Au还原成Au, 从而实现FeO-Au34磁性复合粒子的制备。 实验操作:取干燥后的修饰氨基的四氧化三铁粉末7.5mg，加入100mL超纯水超声分后，加pH为略碱性的30mL0.6mmol/L的氯金酸，搅拌均匀后在超声中加入600uL0.2mol/L的柠檬酸钠溶液，在一定的频率下, 室温下超声直到反应溶液颜色由浅黄色逐渐变成黑色，反应结束后, 利用永久磁铁将磁性纳米颗粒从溶液中分离出, 并用去离子水清洗3 次, 分离后的残留溶液无色，

19、且pH值为中性，除去产物表面的杂质，产物4?下保存在乙醇中防止被空气氧化。 5 2.2 纳米金的制备 图2-4 金溶胶的生成机理图 实验操作:取 50 mL l 0.01 % (m/v) HAuCl溶液放入100 mL 三口烧瓶中，加热至沸，4在剧烈搅拌下迅速加入1.75 mL的1% (m/v) 柠檬酸钠水溶液,保持沸腾状态反应15 min后关闭热源，溶液的颜色由浅黄色立即转变到紫色，然后为酒红色。纳米粒子的溶液一直冷却到室温即制得红色金纳米溶胶溶液，放在冰箱中4 C保存。 2.3 纳米金对BSA的检测及FeO-Au复合纳米颗粒对BSA的检测 342.3.1 纳米金对BSA的检测 -1 取一系

20、列试管mL分别加入1 纳米金，用0.10 mol?LHCl调节pH至56，再加入浓度为0.1M5M范围内的BSA，体积为1mL。5 min 后各均加入0.40 mL10%KCl，混匀后静置40min，稀释到10.0 mL，测定各管共振散射光谱。 2.3.2 FeO-Au磁性复合纳米颗粒对BSA的检测 34-1 取一系列试管分别加入1mLFeO-Au磁性复合纳米颗粒，0.10 mol?LHCl调节pH至3456，再加入浓度为0.0625M0.625M范围内的BSA，体积为1mL。5 min 后各均加入0.40 mL10%KCl,混匀后静置40min，稀释到10.0 mL，测定各管共振散射光谱。6

21、 3430.573 结果与讨论 3.1 表面修饰-NH的FeO磁性纳米颗粒的红外表征 23496 94 92 90 88 86 84 82 80 78586.79 76%T 74 72 70 68 66421.47403.96 64 62 60 58 564000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 Wavenumbers (cm-1) 图3-1 修饰过氨基的 FeO纳米颗粒 34-1-1 从图3-1可以看出，在波数为3430cm处有一峰，为N-H伸缩振动峰，在波数586cm处有一峰，为Fe-O振动峰，所以上图表明，氨基已经通过化学吸附修饰在FeO纳米粒子34

22、表面。正是由于APTES保护剂的桥联作用，使得FeO纳米粒子呈现以几个颗粒相互连接34 的状态存在,此外, 在这里APTES不仅作为一种保护剂阻止FeO纳米粒子的大量团聚, 同34 时使得FeO纳米粒子pH值中性条件下表现为正值, 这样使得FeO纳米粒子可以与表面34 34 电位为负值的金种子进行静电吸附,从而为下一步金包覆的生长奠定基础。 3.2 FeO-Au磁性复合纳米颗粒紫外表征 341.81.71.61.5Absorbance1.41.3400450500550600650700750Wavelength/nm图3-2 FeO-Au 磁性复合纳米粒子的紫外吸收光谱 347 图3-2为FeO-Au 磁性复合纳米粒子的紫外吸收光谱,在545nm左右出现一吸收峰，34说明四氧化三铁表面已经裹上金外壳，由于FeO-Au 磁性复合纳米粒子的粒径大于纳