功能化多孔納米材料的設(shè)計(jì)合成及其在蛋白質(zhì)組學(xué)分析中的應(yīng)用.pdf

1、相比于傳統(tǒng)的納米材料,具有可調(diào)結(jié)構(gòu)、性能的納米多孔材料展示出非凡的特性。由于尺寸匹配,具有大孔徑、高孔容的多孔材料開(kāi)創(chuàng)了面向生物大分子的應(yīng)用新方向,而孔徑大于50納米的大孔材料具有極快的傳質(zhì)過(guò)程和蛋白分子吸附固定速率,有潛力在蛋白質(zhì)組學(xué)分析及酶反應(yīng)研究中發(fā)揮巨大的優(yōu)勢(shì)。迄今為止,大孔材料應(yīng)用于蛋白質(zhì)組學(xué)分析研究仍然罕有報(bào)道,而純硅組分的多孔材料在功能化應(yīng)用中也受到了極大的限制。因此,大孔納米材料的功能化設(shè)計(jì)合成對(duì)于其在蛋白質(zhì)組學(xué)分析中的

2、應(yīng)用至關(guān)重要。
　　本論文第一章首先回顧了納米多孔(大孔)材料的制備合成及表征;隨后討論了納米多孔材料的生物應(yīng)用,主要集中在基于生物質(zhì)譜的蛋白質(zhì)組學(xué)研究;本章將進(jìn)一步介紹具體研究領(lǐng)域包括固定化酶技術(shù),蛋白質(zhì)翻譯后修飾等。最后,我們將闡述本論文的選題意義,然后提出貫穿全文的基礎(chǔ)概念和技術(shù)路線。
　　在第二章中,我們發(fā)展了一種以大孔材料作為固體催化劑來(lái)加速生物酶解反應(yīng)的新路線。通過(guò)直接將有序大孔二氧化硅泡沫材料(MOSF,孔徑約

3、為100納米)加入到常規(guī)酶解體系中,無(wú)需任何預(yù)處理和使用高濃度的酶,即可極大的提高酶解反應(yīng)效率,將時(shí)間由12小時(shí)縮短到30分鐘。利用該技術(shù),可以在半小時(shí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)超低濃度的肌血球蛋白(2 ng/μL)的酶解,其效果與溶液過(guò)夜酶解相當(dāng)。同時(shí),我們通過(guò)對(duì)大孔氧化硅泡沫材料表面進(jìn)行氧化鎂修飾實(shí)現(xiàn)了對(duì)固體催化劑表面電荷的調(diào)變,通過(guò)材料與蛋白之間的靜電相互作用完成了可控的選擇性酶解。帶負(fù)電的氧化硅材料可以有效的催化堿性蛋白的酶解,而帶正電的氧化鎂修飾

4、大孔材料則對(duì)酸性蛋白的酶解具有良好的催化效果。因此綜合利用由大孔氧化硅和氧化鎂修飾的氧化硅材料組成的混合催化劑可進(jìn)一步提高對(duì)復(fù)雜蛋白樣品的酶解效率。這種技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于復(fù)雜生物樣品的分析并鑒定出293個(gè)蛋白質(zhì),而傳統(tǒng)的溶液酶解技術(shù)僅鑒定出100個(gè)蛋白。由此可見(jiàn),這種基于固體催化劑的新型快速酶解路線在蛋白質(zhì)組學(xué)研究中擁有巨大的潛力和應(yīng)用價(jià)值。
　　第三章中,我們制備了一種新型的多功能納反應(yīng)器A1-MOSF,并研究了其在磷酸化肽段分

5、離富集中的應(yīng)用。通過(guò)在MOSF材料表面引入氧化鋁物種,得到了一種可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)磷酸化蛋白質(zhì)、肽段分析的復(fù)合納反應(yīng)器A1-MOSF。首先,由于A1-MOSF具有較大的孔徑和孔容,其對(duì)蛋白質(zhì)分子有著快速的吸附速率和較高的固定容量,因此將A1-MOSF直接分散在標(biāo)準(zhǔn)的酶解體系中,酶和底物分子可以被快速富集到材料的納米孔道中,形成局部的超高濃度以進(jìn)行高速有效的蛋白質(zhì)水解反應(yīng);其次,由于氧化鋁物種與磷酸化官能團(tuán)的化學(xué)共價(jià)鍵作用,A1-MOSF材料可

6、以直接收集靶向的酶解產(chǎn)物——磷酸化肽段,而絕大多數(shù)非特異性的肽段則被直接釋放到空白溶液體系中。相比于傳統(tǒng)的磷酸化分析路線,我們將12-24小時(shí)的溶液預(yù)先酶解過(guò)程縮短到了30分鐘,且不需要進(jìn)行任何復(fù)雜的磷酸化肽段后富集處理步驟,通過(guò)納米功能化反應(yīng)器A1-MOSF,我們成功在30分鐘內(nèi)完成對(duì)蛋白質(zhì)的快速酶解和對(duì)磷酸化肽段的選擇性分離富集,極大的簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)的富集分離過(guò)程。我們進(jìn)一步將這種新型的納米反應(yīng)器A1-MOSF成功應(yīng)用于極低的檢出限(蛋

7、白濃度2 ng/μL),并在復(fù)雜生物樣品的分析中驗(yàn)證了其應(yīng)用性能。
　　第四章中,我們研發(fā)了一種用于糖基化物種分離富集和糖蛋白分析鑒定的多功能化納米元器件。通過(guò)對(duì)大孔泡沫氧化硅材料(B-MOSF)表面進(jìn)行硼酸物種修飾,我們得到了具有糖基團(tuán)耙向性的納米反應(yīng)器,而通過(guò)進(jìn)一步聯(lián)用氨基修飾的大孔材料(NH2-MOSF)與無(wú)修飾的大孔材料(MOSF),我們可以提高B-MOSF納米反應(yīng)器的選擇性,從而在強(qiáng)干擾背景下實(shí)現(xiàn)有效的糖蛋白分析。因此,