关键词:
荧光光谱
糖尿病标志物
量子化学计算
荧光传感器
检测
摘要:
糖尿病是一种由遗传和环境因素相互作用而引起的常见病,影响了全球五亿多人。它会恶化人体的各种器官并加速其他健康问题,如心血管疾病、神经疾病、肾脏疾病、眼部疾病、牙齿问题、心脏病、中风和脑功能障碍。正常人体会产生胰岛素,调节血糖水平并将葡萄糖转化为能量,而患者身体无法正确调节血糖水平从而引发糖尿病。由于糖尿病没有永久治愈方法,患者必须严格遵循安全有效的饮食规律、锻炼习惯、药物治疗和家庭护理习惯。传统的测量血糖水平方法是侵入性技术,需要刺穿患者的皮肤来收集血液样本。然而,这种方法会让患者感到不适和压力。多次刺穿皮肤时,也会损害身体或加速不同的感染。因此,研发无创传感方法检测糖尿病指标,如尿液检测,对于保护大众的健康安全和医疗行业的长足发展有重要意义。常见的糖尿病标志物很多是弱荧光物质或无荧光物质,很难使用常规的荧光光谱技术进行定性或者定量测量。并且尿液作为一个复杂体系本身含有多种荧光物质,包括多种氨基酸、维生素以及其他共存物质,对糖尿病标志物的检测产生较大影响。为此,研制性能优异的荧光探针,可以实现对待测物在复杂体系中的特异性检测。
本课题基于荧光光谱技术对尿酸、肌酐和丙酮三种糖尿病标志物的光谱特性进行研究。结合量子化学计算和实验分析尿酸分子的荧光机理以及微溶剂环境下的结构影响。研制了黄光碳量子点和紫外发射碳量子点分别对尿液中的肌酐、丙酮进行定量检测。主要工作有以下几项:
(1)通过理论计算,对尿酸水溶液可能存在的多聚体团簇结构进行建模分析。通过比较尿酸水团簇的不同结构,发现水分子与尿酸分子之间的相互作用主要影响了N-H键的长度。随着所添加水分子数量的增加,N-H键长也会相应地增加,而且尿酸水团簇的构型逐渐从平面单环结构转变为双环结构。同时,通过应用分子中原子理论(AIM)和约化密度梯度函数(RDG)方法以及分解能量参数,研究了尿酸分子与水分子之间的氢键相互作用。这些方法能够直观地观察到氢键的位置和强度,并揭示了氢键的本质和特性。此外,研究了尿酸-(H2O)_n(n=1-3)团簇的拉曼光谱和荧光光谱。拉曼光谱中N-H键的特征峰随着水分子数目的增多表现出红移现象,凸显了氢键的协同作用。实验和理论荧光光谱的对比,证明了尿酸-(H2O)3在溶液中占据较大比例。本工作为深入研究尿酸的光谱特性和实验研究提供了理论参考。
(2)基于黄光碳量子点定量检测尿液中的肌酐。本工作制备的碳量子点具备一定的还原性,可以将Au3+还原为金纳米颗粒,其与碳量子点结合导致荧光猝灭。但肌酐的加入能够优先与金纳米颗粒相结合从而恢复碳量子点的荧光。由此,研制了一种“关闭-开启”型荧光传感器,对肌酐进行高灵敏和特异性检测。结果表明,荧光传感器的荧光恢复程度和尿液中的肌酐浓度呈现良好的线性关系,线性范围为0.05-1μM,检测限为9.29×10-9 M。该方法建立了基于碳量子点和Au3+检测肌酐的新体系,实现了对尿液中肌酐的准确、特异性检测。
(3)基于紫外发射碳量子点检测尿液中的丙酮。本工作制备的碳量子点具有独特的光学特性,通过光谱的表征测量分析,其激发光谱位于紫外光区域,与丙酮的吸收光谱产生大量重叠。在添加丙酮后,碳量子点的荧光会由于内滤效应产生猝灭。基于此原理,研制了一种对痕量丙酮进行灵敏检测的猝灭型荧光传感器。结果表明,荧光传感器的猝灭程度与尿液中的丙酮浓度呈现良好的线性关系,线性范围为0-2%,检测限为0.0051%。该方法的检测能力高、制作成本低、稳定性强,实现了对尿液中丙酮的准确、灵敏检测。
本工作应用荧光光谱技术,研究了尿酸、肌酐和丙酮的光谱特性,实现了对尿酸水溶液的机理分析以及对肌酐、丙酮在尿液环境的定量检测,拓展了荧光光谱技术的在病理学上的应用,为有效的病情诊断,监测糖尿病进程提供支持。