论文总字数：19487字

摘 要

本文是报道一种通过将金纳米簇掺杂进丝素薄膜中，形成复合结构，制备一种能对过氧化氢进行特异性检测的仪用传感器的研究。使用牛血清蛋白制备的金纳米簇具有稳定性好，生物相容性高，易修饰等特点，可以应用为合成固态生物传感器的载体。首先对天然蚕丝进行脱胶处理，然后用高浓度中性盐溶液使其溶解，最后使用流延法成膜。在制备溶液过程中我们将金纳米簇与丝素蛋白薄膜共混，以求制备一种高效,稳定，简单的生物传感器用以检测H2O2。与目前使用的方法相比，可以降低设备要求，减少检测成本。

关键词：丝素蛋白；金纳米簇 ；过氧化氢；传感器

Abstract

In this paper, we report a kind of instrument sensor for specific detection of hydrogen peroxide by doping gold nanoclusters into silk fibroin films to form a composite structure.The gold nanoclusters prepared with bovine serum protein have the characteristics of good stability, high biocompatibility and easy modification, and can be used as the carrier for the synthesis of solid biosensors.The natural silk was first degummed, then dissolved with a high concentration of neutral salt solution, and then the film was formed by the flow extension method.In the process of preparing the solution, we blend the gold nanocluster with the silk fibroin film to prepare an efficient, stable and simple biosensor for detecting H2O2.Compared with the current methods, the equipment requirements can be reduced and the testing cost can be reduced.

Key words:silk fibroin; gold nanoparticles cluster; H2O2; senser

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

• 1. 研究背景 1
  2. 丝素蛋白/金纳米簇的结构与性质 2

1.3.1丝素蛋白的一级结构 2

1.3.2丝素蛋白的二级结构 2

1.4 金纳米簇的结构与性质 3

1.5 丝素蛋白的应用 4

1.5.1 丝素蛋白在生物医学材料的应用 4

1.5.2 丝素蛋白在生物传感器领域的应用 4

1.5.3 共混丝素膜 5

1.5.4 丝素蛋白在纺丝领域的应用 5

1.6 研究内容与具体目标 5

第2章 金纳米簇/丝素蛋白薄膜的制备与表征 7

2.1 引言 7

2.2 试剂与材料 7

2.3 金纳米簇/丝素蛋白薄膜的制备 8

2.3.1 丝素蛋白溶液的制备 8

2.3.2 金纳米簇的合成 8

2.3.3 金纳米簇/丝素蛋白薄膜的制备 9

2.4 金纳米簇/丝素蛋白薄膜与过氧化氢的反应 9

2.5 细胞实验 9

2.6表征方法 10

第3章 结果与讨论 11

3.1 红外光谱分析 11

3.2 X射线光电子能谱分析 11

3.3 荧光光谱分析 14

3.4 细胞实验分析 16

第4章 总结 17

参考文献 19

致谢 21

第1章 绪论

1.1引言

在近些年来对金属纳米簇的研究中，金纳米簇由于本身有独特的组成元素，自身尺寸，结合方式等跟其他纳米团簇不同的性质，所以有自己的独特优势。细胞毒性低，与生物亲和性较好，易于合成，毒性低，荧光发射强，在生物、医药、催化、分析等方面具有广泛的应用。随着合成方法的不断改进，金纳米簇与各种有机或者无机物质结合成为的配位化合物种类也越来越多。随着材料测试方法的不断进步和发展，对金纳米簇大小、表面微观形貌的控制性制备也取得了大量的研究成果。本文采用牛血清蛋白的方法来制备金纳米簇。

天然高分子是有机体在自然环境下自发合成的高分子物质，是符合可循环发展理念的材料，大多具有良好降解速度，在生物学上已经得到了广泛应用。有望在未来成为主要化工产品之一，解决合成化学带来的环境、能源问题。丝素蛋白是使用十分广泛的天然高分子物质，具有大多数天然高分子的优点，生物相容性好，制备要求低，可加工成薄膜，凝胶，纤维各种形态，尤其在生物材料领域中得到了广泛研究^[1]，制备丝素蛋白来源主要是家蚕的天然蚕丝或者其他自然界的吐丝生物。

本文将金纳米簇掺杂到丝素蛋白中并加工成膜，旨在研究所得产物的物理、化学性质及对H₂O₂的检测性能，以求得到一种新型的H₂O₂检测传感器。

1.2 研究背景

过氧化氢水溶液，俗称双氧水，广泛应用在传统无机化工产品中，自1818年法国化学家Thenard首次在实验室制备得到H₂O₂以来，H₂O₂已经在轻工业，电子技术，医疗卫生，环境工程等诸多领域取得重要应用，如细胞中H₂O₂的浓度可以作为一种与各种疾病相关的有效的生理活动指标，所以得到敏感度更强，检测速度更快，结果更加准确的过氧化氢传感器是十分必要的。因此，大量的研究人员将目光投入在过氧化氢传感器的研究上。然而，H₂O₂检测通常需要复杂而昂贵的检测设备。丝素蛋白薄膜由于细胞毒性很低，生物亲和性和相容性高并且可以通过一些方法人工控制降解速度，广泛应用于生物材料中。

研究人员使用牛血清蛋白(BSA)方法得到的纳米尺度金团簇具有稳定性好，生物相容性好，易修饰等特点，可以被应用为合成固态生物传感器的良好载体，目前已被应用于检测多巴胺等物质。近些年来，丝素蛋白在人体组织方面的研究，例如神经导管，骨豁修复材料，人造血管，人工肌腱和韧带，人造皮肤和功能性细胞培养机制等方面的应用日益增多。但是在医用传感器方面的应用却很少。利用金纳米簇与丝素蛋白薄膜共混制备的生物传感器有机会成为一种新的检测H₂O₂的手段。

丝素蛋白与金纳米簇都具有良好的生物相容性，使用丝素蛋白来制备生物传感器，与传统方法相比，颜色变化可以被裸眼识别，更加简单，实用，成本也更低。因此我们将金纳米簇与丝素蛋白薄膜相结合，以求制备一种高效,简单，稳定的生物传感器用以检测H₂O₂。可以降低设备要求，减少检测成本。

1.3 丝素蛋白的结构与性质

1.3.1 丝素蛋白的一级结构

丝素蛋白主要提取自蚕丝。蚕丝的主要由丝素蛋白（SF）和丝胶蛋白两部分组成，前者被后者包裹，丝素蛋白是丝素的主要组成部分。丝素蛋白的质量在整个丝素中占比约72%-81%，丝胶蛋白占比约19%-28%，剩下还有少量的着色物质（1%-1.4%）。丝素蛋白分子量约36万，主要由C、H、O、N构成，并含有Si、K、Fe、Ga等多种微量元素 。丝素蛋白主要是疏水性的，依据分子量的不同主要可以分为两类即轻型（L）和重型（H），前者分子量约25kDA,后者约350kDA。组成氨基酸的分别266和5263个。两条链通过碳链末端的一个二硫键结合在一起。丝素蛋白的H链可以自组装成β-折叠结构，是丝素蛋白拉伸强度，韧性等相关性质的主要提供者。H链的主要由四种氨基酸组成，其中甘氨酸（G）占比最多，为43.5%，丙氨酸（A）为28%、丝氨酸（S）为12.3%、酪氨酸（Y）仅有5%，其他氨基酸的含量和少于2%。丝素蛋白的H链是有规则的生物聚合物，他由12个较大的疏水结构域和11个较小的亲水结构域构成。对这些疏水结构域的进一步研究表明，他们是由甘氨酸-X的双肽单元组成的，其中的X可以使丙氨酸、丝氨酸、酪氨酸、缬氨酸或苏氨酸。疏水域可以分为四个不同的子域，包括GAGAGS序列，GAGAGY序列，GAAS四肽序列和不规则序列，其中GAGAGS和GAGAGY序列重复最丰富，约占72%^[2]。丝素蛋白在整个丝素中占比较大，是丝素的力学性能等性质的主要提供者。丝胶蛋白则主要起使丝素蛋白结合在一起的作用，包裹在丝素蛋白纤维的外部。通常认为外部的丝胶蛋白层会导致迟发型超敏反应，所以在材料制备时通常会进行脱胶处理，利用丝素蛋白和丝胶蛋白亲水性的不同，将蚕丝放在碱性溶液中烧煮是一种比较常用的脱胶方法。丝素材料本身透光性，透水透气能力好，力学性质优秀，可通过不同的方法掺杂一些成分后制成纤维、薄膜、凝胶、粉各种形态。丝素蛋白的内部结构比较复杂，总体分为两大块，一块组成结构密集，有一定的排列规律，主要组成成分是R基相对分子质量比较低的那些氨基酸，是结晶区。另一块是排列分散，没有顺序的非结晶区，主要组成成分是R基相对分子质量比较大的氨基酸。前者的主要组成成分包括Gly，Ala和Ser的残基。后者主要由除了前面三类氨基酸以外的氨基酸的残基组成^[3]。目前对学者对结晶区的研究较多，为我们在研究丝素蛋白时也更多考虑这个区域的化学基团的种类和数目，进而探究丝素蛋白的性质。

1.3.2 丝素蛋白的二级结构

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