金纳米粒子在手性物质识别中的应用文献综述

开题报告内容

立项背景

研究意义

手性是医学和生化系统的基本化学性质，生物体内的大部分生化系统都存在手性相互作用[1]。手性分子的不同对映体在生理和化学活性上存在显著差异，如药物的一个同分异构体具有治疗活性，而另一个同分异构体可能具有毒性或非活性[2,3]。氨基酸作为重要的生物活性物质，广泛应用于食品、化工、医药等行业。研究表明，生物体内组成蛋白质的氨基酸都是L-氨基酸，D-氨基酸难以代谢，过量的D-氨基酸会对机体产生负担，可能阻断某些重要生理物质的合成，抑制动物的生长[4]。另外，手性物质对映体的检测是食品质量分析的重要指标。例如，天然产物中D-氨基酸的存在可以被认为是细菌污染的一个指标。同样，乳酸的D-或L-对映体的含量也反映了细菌的种类[5]。目前，手性分离技术(如高效液相色谱、气相色谱、毛细管电泳等)是手性分子鉴别的常用方法[6-8]，但绝大多数都需要昂贵的手性柱和复杂的样品预处理。光学方法(即旋光法和圆二色谱法)不需要分离就可以快速分辨对映体，但这些方法的灵敏度相对较低，对杂质的容忍度也相对较低[9]。因此，建立一种简单、高效的手性氨基酸的识别和对映体过量检测方法对生物化学和医药领域的发展具有重要的意义。

随着纳米技术的发展，纳米材料已成为构建光学传感系统的一种理想的替代材料[10]。其中，贵金属纳米材料，特别是金纳米粒子(AuNPs)，由于其光学性能取决于其尺寸和形状而被广泛用作构建光学传感器的物质[11]。金纳米粒子(AuNPs)具有特有的局域表面等离子体共振吸收特性(LSPR)，其波段的强度和频率与周围介质的大小、形状、组成、粒子间距离和介电常数(折射率)密切相关[12]。一旦目标物改变其中一个参数，等离子体的共振频率就会随着表面化学和粒子相互作用的变化而变化，从而影响吸收带的波长和溶液的颜色[13]。在此过程中，不需要任何复杂的样品预处理和仪器，只需在样品的最小体积下，用肉眼就可以很容易地对分析物的浓度进行半定量和紫外可见分光光度计定量，避免了精密仪器的使用[14,15]。分散良好的纳米金溶液呈红色，而聚合的纳米金溶液呈蓝色。因此，基于AuNPs聚合原理引起的溶液颜色变化为比色分析提供了一个理想的平台。这种方法已被广泛用于检测各种物质，包括小分子物质、DNA和蛋白质等[16]。

近年来，Li等人将手性分子N-乙酰-L-半胱氨酸键合到AuNPs表面，获得N-乙酰-L-半胱氨酸包封的AuNPs，该AuNPs可用于手性酪氨酸的比色识别[17]。此外，手性试剂修饰的纳米银粒子也被用来识别和检测对映体。对于这些体系的手性识别，关键因素是纳米颗粒表面吸附的手性分子。已知金属表面具有固有的手性结构，而AuNPs也具有固有的手性[18, 19]，可导致对映体选择性相互作用，这为建立一种简单、快速、直观的可视化手性识别并检测氨基酸对映体过量的方法提供了依据。

参考文献

[1] X. Zhang, J. Yin, J. Yoon, Recent advances in development of chiral fluorescent and colorimetric sensors, Chem. Rev. 114 (2014) 4918-4959.

[2] L. Pu, Fluorescence of organic molecules in chiral recognition, Chem. Rev. 104 (2004) 1687-1716.

[3] L. Zhang, C. Xu, C. Liu, Visual chiral recognition of tryptophan enantiomers using unmodified gold nanoparticles as colorimetric probes, Anal. Chim. Acta 809 (2014) 123-127.

[4] 赵南生, 余志立. D-氨基酸在人体的来龙去脉:人体中D-氨基酸和D-氨基酸氧化酶，氨基酸和生物资源，2 (1995) 43-46.

[5] M. Kaniewska Trojanowicz, Chiral biosensors and immunosensors, Biosens. Emerg. Mater. Appl. InTech. (2011) 99-122.

[6] Z. Deaacute;kovaacute;, Z. Ďuračkovaacute;, D.W. Armstrong, Two-dimensional high performance liquid chromatography for determination of homocysteine, methionine and cysteine enantiomers in human serum, J. Chroma. A 1408 (2015) 118-124.

[7] Z. Kang, Y. Zhang, L. Hu, One-step synthesis of chiral carbon quantum dots and their enantioselective recognition, RSC Adv. 6 (2016) 59956 -59960.

[8] X. Wei, L. Qi, J. Tan, A colorimetric sensor for determination of cysteine by carboxymethyl cellulose-functionalized gold nanoparticles, Anal. Chim. Acta 671 (2010) 80-84.

[9] T. Ishigami, K. Suga, H. Umakoshi, Chiral recognition of L-Amino acids on liposomes prepared with L-phospholipid, ACS Appl. Mater. Interfaces 7 (2015) 21065-21072.

[10] S.K. Kailasa, J.R. Koduru, M.L. Desai, T.J. Park, R.K. Singhal, H. Basu, Recent progress on surface chemistry of plasmonic metal nanoparticles for colorimetric assay of drugs in pharmaceutical and biological samples, TrAC Trends Anal. Chem. 105 (2018) 106-120.

[11] C. Noguez, I.L. Garzon, Optically active metal nanoparticles, Chem. Soc. Rev. 38 (2009) 757-771.

[12] H. Jans, Q. Huo, Gold nanoparticle-enabled biological and chemical detection and analysis, Chem. Soc. Rev. 41 (2012) 2849-2866.

[13] Z. Zhang, H. Wang, Z. Chen, X. Wang, J. Choo, L. Chen, Plasmonic colorimetric sensors based on etching and growth of noble metal nanoparticles: Strategies and applications, Biosens. Bioelectron. 114 (2018) 52-65.

[14] L. Qin, G. Zeng, C. Lai, D. Huang, P. Xu, C. Zhang, M. Cheng, X. Liu, S. Liu, B. Li, H. Yi, “Gold rush” in modern science: Fabrication strategies and typical advanced applications of gold nanoparticles in sensing, Coord. Chem. Rev. 359 (2018) 1-31.

[15] N. Elahi, M. Kamali, M.H. Baghersad, Recent biomedical applications of gold nanoparticles: A review, Talanta 184 (2018) 537-556.

[16] K. Saha, S.S. Agasti, C. Kim, X. Li, V.M. Rotello, Gold nanoparticles in chemical and biological Sensing, Chem. Rev. 112 (2012) 2739-2779.

[17] H. Su, Q. Zheng, H. Li, Colorimetric detection and separation of chiral tyrosine based on N-acetyl-L-cysteine modified gold nanoparticles, J. Mater. Chem. 22 (2012) 6546-6548.

[18] G. Song, C. Xu, B. Li, Visual chiral recognition of mandelic acid enantiomers with L-tartaric acid-capped gold nanoparticles as colorimetric probes, Sens. Actuators B 215 (2015) 504-509.

[19] R. Li, C. Zhu, W. Li, X. Zhang, Y. Ji, A new nanosensor for the chiral recognition of cysteine enantiomers based on gold nanorods, New J. Chem. 42 (2018) 12706-12710.

研究目标：

本课题充分利用AuNPs独特的光化学性质和固有手性，提出一种低成本、简便、灵敏的以AuNPs为探针的氨基酸手性识别方法。该方法可以通过AuNPs的聚集将对映选择性分子识别转化为可感知的颜色变化，很容易用肉眼或用紫外-可见分光计读出，为设计对映体分子识别和检测方法提供了新的基础。

研究内容：

1）利用化学还原法，选择合适的还原剂和功能化试剂，制备功能化金纳米粒子，比较不同条件下合成的不同形貌的金纳米粒子的光谱学性质的差异，总结影响金纳米粒子合成的因素，从而达到可控合成的目的。

2）基于金纳米粒子的表面等离子共振特性和其固有手性，利用功能化金纳米粒子对氨基酸小分子进行手性识别，并优化检测条件，产生不同的聚集状态，呈现不同的颜色和光学图谱的响应，从而建立一种快速直观、操作简单、成本低廉的可视化识别与检测手性药物小分子的方法。

研究路线：

实验方案：

1.制备功能化金纳米粒子并优化其合成条件；

2.表征金纳米粒子：TEM、SEM、FT-IR、UV-Vis；

3.检测条件优化：金纳米粒子浓度，反应体系pH、时间、温度等条件；

4.分析方法评价，包括专属性，检测限和定量限，线性和线性范围，准确度和精密度等。

5.实际样品分析，如实际水样、生物样本、原料药物分析等。