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南京大学ACS Nano:模拟酶活性!用金纳米颗粒检测组织中的生物分子!
浏览次数:644日期:2017- 06 - 23

 

    【引言】

    金纳米粒子具有优异的表面增强拉曼散射(SERS)活性和催化活性,这些特性有利于开发其在生物纳米医学和先进催化剂方面的潜在应用。先有Rossi等人发现包覆柠檬酸的金纳米粒子对有氧条件下葡萄糖的催化氧化反应展现出葡萄糖催化氧化酶模拟活性。这一类具有酶模拟活性的纳米催化材料被统一称作“纳米酶”。此后,使用金纳米粒子模拟自然酶的研究越来越广泛。另一方面,金纳米粒子的等离子特性使得它的电磁场强度得到增强,在增强的电磁场中拉曼散射强度会有所提高。因此,金纳米粒子作为表面增强拉曼光谱活性基底已经应用于很多化学和生物学方面的高灵敏度测试。

    联合金纳米粒子的SERS活性和催化活性将会为实时监测金纳米粒子催化反应和发展高灵敏度的生物测试手段提供潜在方案,这一联合不仅可以降低生物测试的成本,而且能通过SERS提高生物测试的灵敏度。

    【成果简介】

    目前,还没有关于金纳米粒子本征的催化模拟活性和SERS活性的联合研究。近日,南京大学魏辉教授和周正扬教授(共同通讯)在ACS Nano上发表题为“Surface-Enhanced Raman Scattering-Active Gold Nanoparticleswith Enzyme Mimicking Activities for Measuring Glucoseand Lactate in Living Tissues”的文章。研究人员基于一种称为MIL-101的多孔且热稳定的金属有机骨架材料(MOF),以原位生成金纳米粒子的方式设计了一种具有过氧化物酶模拟特性的纳米酶,并将其表示为AuNPs@MIL-101。这种纳米酶在H2O2存在的情况下能够将非拉曼活性隐色孔雀石绿(LMG)氧化为具拉曼活性的孔雀石绿(MG),同时,它还能够作为SERS基板增强MG的拉曼散射信号。为了使用SERS对葡萄糖和乳酸进行体外检测,他们还在AuNPs@MIL-101上安装了葡萄糖氧化酶(GOx)和乳酸氧化酶(LOx),合成一体化纳米酶,并将它们分别表示为AuNPs@MIL-101@GOx和AuNPs@MIL-101@LOx。此外,他们还对这种一体化纳米酶进行了深入研究,用它们来监测活体大脑中葡萄糖和乳酸的含量变化,活体大脑中葡萄糖和乳酸的含量失常可能是缺血性中风的诱因。然后,综合纳米酶还被用在实验大鼠身上,进行一些新药的疗效测评(比如治疗大脑缺血性损伤的虾青素)。它们还被用于监测葡萄糖和乳酸在肿瘤组织中的新陈代谢。本项研究不仅证明了联合金纳米粒子多重功能的巨大潜力,还为生物医药和催化剂等方面的研究提供了一种设计纳米酶的有效方法。

    【图文导读】

    图1.AuNPs@MIL-101@氧化酶的酶促级联反应示意图

    首先,氧化酶的催化作用促使靶基(如:葡萄糖和乳酸)氧化反应发生,生成H2O2;在H2O2存在的情况下,一体化纳米酶(AuNPs@MIL-101@oxidases)中的过氧化酶模拟物对非拉曼活性物质(例如:LMG)进行催化氧化作用,使其产生具拉曼活性的物质(例如:MG),同时,金纳米粒子也增强了用于SERS检测的拉曼光谱信号。很明显,复合于MOF上的金纳米粒子(AuNPs@MIL-101)需要通氧化酶修饰以形成一体化纳米酶(AuNPs@MIL-101@oxidases),这是保证高效酶促级联反应发生的关键。

    图2.AuNPs@MIL-101纳米酶的制备及联合性能

    (A)AuNPs@MIL-101的TEM图。

    (B)AuNPs@MIL-101不仅可以在H2O2存在的情况下将非拉曼光谱活性的隐色孔雀石绿(LMG)催化氧化为具活性拉曼光谱孔雀石绿(MG),还能够作为SERS基板增强活性拉曼光谱信号。(

    C-D)在浓度为50mM的三羟甲基氨基甲烷-HCl溶液(pH 7.0)中分别添加(1)LMG + H2O2 (控制添加量), (2) LMG + H2O2 + MIL-101, (3)LMG+ H2O2 + AuNPs, and (4) LMG + H2O2 +AuNPs@MIL-101的样品图片(C)和相应的SERS光谱(D)。

    图3.MIL-101在一体化纳米酶中的作用

    (A)添加AuNPs和AuNPs@MIL-101的孔雀石绿(MG)的表面增强拉曼散射光谱(SERS)。

    (B)添加AuNPs和AuNPs@MIL-101的孔雀石绿在1615 cm-1条件下的标准化表面增强拉曼散射光谱(SERS)的强度对比。

    图4.不同粒径金纳米粒子对SERS活性的影响

    小尺寸金纳米粒子(10nm)表示为s-AuNPs@MIL-101;中等尺寸金纳米粒子(38nm)表示为m-AuNPs@MIL-101;大尺寸金纳米粒子(57nm)表示为l-AuNPs@MIL-101。

    (A)和(D)为s-AuNPs@MIL-101的TEM图。

    (B)和(E)为m-AuNPs@MIL-101的TEM图。

    (C)和(F)为l-AuNPs@MIL-101的TEM图。

    (G)在添加了10mM的H2O2和1.25mM的LMG的50mM的三羟甲基氨基甲烷-HCl缓冲溶液(pH 7.0)中添加不同尺寸的金纳米粒子后,在1615cm-1条件下孔雀石绿的拉曼散射强度。误差棒表示3组独立测量数据的标准差。

    图5.通过一体化纳米酶进行体外葡萄糖或乳酸检测

    (A) 利用一体化纳米酶进行体外葡萄糖(或乳酸)测试的示意图。

    (B) 孔雀石绿(MG)在1615cm-1条件下的拉曼散射强度与葡萄糖浓度的关系;内部嵌图为呈线性关系的部分。

    (C) 孔雀石绿(MG)在1615cm-1条件下的拉曼散射强度关于乳酸浓度的关系;内部嵌套图为呈线性关系的部分。

    (D) 对综合纳米酶的拉曼散射选择性进行测试,横坐标1-7分别代表不含有其它物质、含有10 μM 5-HT、含有10 μM AA、含有10 μM DA、含有10μM DOPAC 、含有1 mM乳酸和含有10 μM UA 的500μM葡萄糖,该图即为添加上述不同物质对标准拉曼散射峰的影响。

    (E) 同样,横坐标1-7分别代表不含有其它物质、含有10 μM 5-HT、含有10 μM AA、含有10 μM DA、含有10μM DOPAC 、含有1 mM葡萄糖和含有10 μM UA 的500μM乳酸,该图即为添加上述不同物质对标准拉曼散射峰的影响。

    最终AuNPs@MIL-101@oxidases和非活性孔雀石绿(LMG)的浓度分别为100μg/mL和200μM。误差棒表示3组独立测量数据的标准差。添加不同物质的葡萄糖(或乳酸)在1615cm-1条件下的孔雀石绿拉曼散射峰和其单独存在时的标准值是一致的。

    图6. 通过一体化纳米酶进行ATX药物疗效测评

    (A)使用基于一体化纳米酶的检测手段检测活体实验大鼠脑部葡萄糖和乳酸。

    (B)大脑缺血/再灌注以及使用ATX进行治疗的图示。

    (C)分别对大脑缺血和再灌注的大鼠进行和不进行ATX前期处理,图为不同处理方式条件下葡萄糖和乳酸的动态变化。葡萄糖和乳酸的含量在不缺血条件下的标准值为100。

    【小结】

    本文详细阐述了AuNPs@MIL-101兼具过氧化物酶模拟活性和表面增强拉曼光谱散射(SERS)活性的特点。能将非拉曼光谱活性的LMG催化氧化为具拉曼光谱活性的MG,产生SERS信号。然后在AuNPs@MIL-101上组装氧化酶形成一体化纳米酶,这能够保证高效酶促级联反应的发生,以便于通过表面增强拉曼散射光谱(SERS)来进行生物检测。可以分别使用AuNPs@MIL-101@GOx和AuNPs@MIL-101@LOx一体化纳米酶,在体外对葡萄糖和乳酸进性具有高灵敏度和高选择性的检测。另外,一体化纳米酶也被用于大脑中葡萄糖和乳酸的检测,这两项指标和机体的生理学和病理学(例如:缺血性中风)状态密切相关;并且可以用于对能够缓解大脑缺血性损伤的药物ATX的疗效测评。不断发展的一体化纳米酶对其它生物反应的探索也能起到一定的推动作用(例如:在肿瘤组织中监测葡萄糖和乳酸的新陈代谢)。该研究不仅详细阐述了联合金纳米粒子的多重功能特性以用于多功能生物检测的巨大潜力,也为应用于生物医药方面的高效纳米酶的设计提供了一种有效方法。