摘要: 生物分析技术的发展对于生命机制研究、疾病诊断、食品安全和环境污染监测等领域的推动具有重要的意义。纳米材料由于具有光电磁性质丰富、与生物分子尺寸相当、比表面积巨大等性质，在提高生物分析灵敏度和选择性方面具有非常显著的优势。相较于单一... 展开 生物分析技术的发展对于生命机制研究、疾病诊断、食品安全和环境污染监测等领域的推动具有重要的意义。纳米材料由于具有光电磁性质丰富、与生物分子尺寸相当、比表面积巨大等性质，在提高生物分析灵敏度和选择性方面具有非常显著的优势。相较于单一组分的纳米材料，复合纳米材料能够集成不同组分和功能，表现出结构多样性，对于拓宽分析检测应用场景，优化分析检测灵敏度、选择性、响应速度和稳定性等性能提供了有效途径。然而，目前，复合纳米结构的制备仍存在巨大挑战。首先，要实现不同功能组分的稳定复合，需要在不同功能组分之间构建稳定的复合界面。另外，要构建不同结构的复合纳米结构，需要实现对复合结构空间几何构型的调控。因此，构建空间构型可控的复合纳米结构对于拓宽分析应用场景和优化分析检测性能具有非常重要的意义。 生物矿化是指自然界中生物大分子调控无机矿物形成的过程。自然界通过生物矿化原理产生了骨骼、牙齿、贝壳等一系列具有分级复杂空间结构的复合纳米材料。在这些生物矿化过程中，蛋白质等生物有机大分子起到了极为重要的作用。一方面，蛋白质具有丰富的官能团，能够作为成核位点与矿物离子发生作用，促进复合纳米界面的形成。另一方面，蛋白质还能作为调控配体，通过诱导矿物晶体的各向异性生长，进一步影响矿化纳米结构的空间构型。受到生物矿化原理的启发，我们设想利用有机大分子能够构建稳定的复合纳米界面，并进一步实现复合纳米结构空间几何构型的调控。 在本工作中，我们选用具有丰富光、电、磁学性质的稀土纳米材料作为基础结构单元，利用有机大分子构建稳定的稀土复合纳米界面，并进一步调控稀土复合纳米结构的空间构型。在此基础上，我们对稀土复合纳米结构的性质和功能进行探究，并构建了基于稀土复合纳米结构的多功能、高性能生物分析平台。本论文的主要研究内容如下： （1）仿照生物矿化原理，利用蛋白质大分子构建稳定的复合纳米界面，实现多功能稀土复合纳米结构的制备。利用牛血清白蛋白的疏水空腔结构封装油相稀土上转换纳米颗粒，实现水相稳定的稀土复合纳米界面的构建，进一步制备得到稀土上转换@生物活性玻璃复合纳米结构。该复合纳米结构同时具备上转换成像和生物活性双重功能，将其与核酸适配体结合，实现了成骨细胞的特异性成像和骨组织的靶向成像。同时，该复合纳米结构能够提供多重矿物元素，诱导成骨细胞矿化，并促进活体矿化和骨组织修复，为骨组织疾病的诊断和治疗一体化提供有力工具。 （2）用聚合物大分子取代蛋白质，构建了稳定的稀土复合纳米界面，实现具有协同增强性能的稀土复合纳米结构的制备。通过聚乙烯亚胺构建了水相稳定氧化铈复合纳米界面，该界面能够通过静电作用吸附铂前驱体，进一步通过还原反应制备得到氧化铈/铂复合纳米结构。该复合纳米结构展现了协同增强的催化性能，能够在催化双氧水分解的同时产生显色反应。基于这一反应原理，该复合纳米结构能够用于构建可视化传感器，实现了过氧化氢和葡萄糖等代谢物分子的高灵敏度检测。 （3）在构建复合纳米界面的基础上，进一步利用聚合物调控复合纳米结构的形貌和空间几何构型，并探究复合纳米结构的构效关系。通过聚合物聚乙烯吡咯烷酮构建了稀土上转换/金属有机框架复合纳米结构，该聚合物还能够避免金属有机框架结构的层层堆叠作用，实现二维复合纳米结构的制备。同时，聚合物还能选择性结合上转换纳米颗粒的（100）晶面，实现复合纳米结构的晶面选择性组装。具有晶面选择性和非晶面选择性的复合纳米结构展现出不同的上转换发光性质，能够为多目标生物分析提供多重信号标记。 收起