納米二氧化鈦及其復(fù)合物在生物電化學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用.pdf

1、納米TiO<,2>是一種n型半導(dǎo)體，具有很強(qiáng)的光催化效率。其發(fā)生光催化氧化作用的原理是：在紫外光(λ<390nm)照射下，TiO<,2>受到光激發(fā)形成光生空穴-電子對(duì)。在空間電場(chǎng)的作用下，空穴可以與電子發(fā)生分離，并分別與水和溶解氧作用生成OH·、H<,2>O2和HO<,2>·等活性氧類(lèi)。這些活性氧類(lèi)與有機(jī)物、細(xì)菌、病毒和細(xì)胞等發(fā)生光催化氧化作用，從而分解有機(jī)物和殺滅生物體。納米TiO<,2>因具有獨(dú)特的光催化氧化能力以及無(wú)毒、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)

2、定、成本低等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于涂料、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境工程等很多方面。 癌癥是當(dāng)今世界威脅人類(lèi)健康的大敵，癌癥發(fā)病率的不斷提高要求研究人員不斷地尋找新穎且有效的治療方法，納米TiO<,2>光催化殺傷癌細(xì)胞是一種新的探索中的治療癌癥的方法。已有的研究成果證明，納米TiO<,2>有望成為能有效治療癌癥且對(duì)人體毒副反應(yīng)小的光敏藥物，所以探索納米TiO<,2>對(duì)癌細(xì)胞的光催化殺傷作用具有理論意義和實(shí)用價(jià)值。但是目前納米TiO<,2>用于光催

3、化殺傷癌細(xì)胞的研究還較少，還有一些問(wèn)題需要做進(jìn)一步的研究和探索。其不足之處表現(xiàn)為：(1)納米TiO<,2>表面光生電子一空穴對(duì)的復(fù)合幾率較高，其光催化殺傷癌細(xì)胞的效率還較低，需要較大濃度的納米TiO<,2>，但是過(guò)高濃度的光敏劑不適宜用于人體治療；(2)正常細(xì)胞在紫外光照下也可以被納米TiO<,2>殺死，所以需要通過(guò)提高納米TiO<,2>對(duì)腫瘤細(xì)胞的“靶向性”吸附能力來(lái)增強(qiáng)其對(duì)腫瘤細(xì)胞的殺傷效果，減少其對(duì)正常細(xì)胞的副作用。為了克服上述缺

4、點(diǎn)，本論文采用化學(xué)修飾的方法來(lái)提高納米TiO<,2>光催化殺傷癌細(xì)胞的效率和選擇性。同時(shí)還研究了納米TiO<,2>及其復(fù)合物在生物電化學(xué)領(lǐng)域中的其它用途，主要研究?jī)?nèi)容有： 1．采用沉積-沉淀法(DP)和硼氫化鈉還原法合成了Au納米粒子修飾的P25TiO<,2>(Au/P25)和Au納米粒子修飾的銳鈦礦型TiO<,2>(Au/銳鈦礦TiO<,2>)，首次深入探討了Au納米粒子修飾后納米TiO<,2>對(duì)癌細(xì)胞的殺傷作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明

5、：沉積-沉淀法和化學(xué)還原法均可實(shí)現(xiàn)Au納米粒子在TiO<,2>樣品表面的均勻沉積；黑暗中TiO<,2>納米粒子和Au/TiO<,2>納米復(fù)合物對(duì)LoVo細(xì)胞幾乎沒(méi)有毒性；在紫外光激發(fā)下，納米TiO<,2>(P25或銳鈦礦型)可以通過(guò)光催化氧化作用對(duì)LoVo細(xì)胞產(chǎn)生殺傷作用，而且銳鈦礦型TiO<,2>對(duì)LoVo細(xì)胞的殺傷效果明顯比P25 TiO<,2>更好；Au沉積能有效提高納米TiO<,2>的光催化效率。當(dāng)加入50 μg/mL的P25T

6、iO<,2>或銳鈦礦TiO<,2>時(shí)，紫外光(光強(qiáng)1.8 mW/cm<'2>)照射100min后，分別有40％和60％的I．oVo細(xì)胞被殺死。當(dāng)加入50μg/mL的2wt％Au/P25 TiO<,2>和2 wt％Au／銳鈦礦TiO<,2>時(shí)，紫外光(1.8 mW/cm<'2>)照射100min后，殺傷LoVo細(xì)胞分別達(dá)到100％和93％。而且Au沉積對(duì)光催化效率的提高效果受到沉積量的控制，Au的最佳沉積量為2％：從機(jī)理上分析，Au/Ti

7、O<,2>對(duì)癌細(xì)胞光催化殺傷的作用主要來(lái)源于紫外光激發(fā)下Au/TiO<,2>表面生成的活性物種羥基自由基(·OH)。 2．首次將癌胚抗原單抗與納米TiO<,2>粒子進(jìn)行結(jié)合，提出利用癌胚抗原單抗與腫瘤細(xì)胞的特異性結(jié)合將納米TiO<,2>粒子導(dǎo)向癌細(xì)胞表面，再利用電穿孔的方法促使它們進(jìn)入癌細(xì)胞中，然后用紫外光照射，使TiO<,2>納米粒子在癌細(xì)胞內(nèi)部產(chǎn)生光催化氧化作用殺死癌細(xì)胞。紫外一可見(jiàn)吸收光譜和熒光光譜證明了抗體在納米TiO<

8、,2>表面的吸附，共聚焦熒光顯微鏡圖像表明了抗體-納米。TiO<,2>復(fù)合物與LoVo癌細(xì)胞的選擇性結(jié)合。而細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：無(wú)光照下納米TiO<,2>懸浮液對(duì)LoVo癌細(xì)胞和正常。TE353．sk細(xì)胞均無(wú)明顯的細(xì)胞毒性；在紫外光(強(qiáng)度為4mW/cm<'2>)照射60分鐘后，僅用納米TiO<,2>時(shí)對(duì)LoVo細(xì)胞的殺死率為47％，而用抗體-納米TiO<,2>復(fù)合物時(shí)癌細(xì)胞的死亡率上升為61％；當(dāng)抗體-納米TiO<,2>復(fù)合物結(jié)合了電

9、穿孔技術(shù)后，具有最高的癌細(xì)胞殺傷效率和選擇性，紫外燈(強(qiáng)度1.8 mW／cm<'2>)光照90 min后，LoVo癌細(xì)胞全部被殺死，而正常TE353．sk細(xì)胞仍然有61％的存活率。綜上所述，本論文利用抗原和抗體之間的特異性反應(yīng)和電穿孔技術(shù)實(shí)現(xiàn)了納米TiO<,2>粒子與癌細(xì)胞的選擇性結(jié)合，提高了納米TiO<,2>粒子對(duì)癌細(xì)胞的光催化殺傷效應(yīng)。 3．以三嵌段高分子非離子表面活性劑(EO<,20>PO<,70>EO<,20>，P123

10、)為結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑，采用模板組裝法合成了孔徑分布均一、比表面積高的有序介孔二氧化鈦材料，并以大腸桿菌(E．coli)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，首次研究了該有序納米介孔TiO<,2>對(duì)大腸桿菌的光催化殺菌效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：合成的介孔TiO<,2>具有較大的孔徑(約6.5nm)，且孔徑分布較窄、比表面積(BET)為208m2/g，約為無(wú)表面活性劑時(shí)合成的TiO<,2>(50m<'2>/g)的四倍；制備的有序介孔納米TiO<,2>材料具有良好的光催化殺菌效應(yīng)

11、，光照60分鐘后，大腸桿菌的存活率僅為10％，光照120min后，大腸桿菌的存活率幾乎為零；隨著有序介孔納米TiO<,2>量的增加，對(duì)大腸桿菌的殺死效率也提高；在一定的菌液濃度條件下，存在一個(gè)發(fā)揮殺菌效率最佳的TiO<,2>量，本實(shí)驗(yàn)中TiO<,2>的最佳濃度為1mg/ml。 4．采用沉積．沉淀法合成了Au負(fù)載量為8 wt％的Au納米粒子修飾的納米TiO<,2>復(fù)合物(AuNP-TiO<,2>)，并將其應(yīng)用于固定辣根過(guò)氧化物酶(

12、HRP)，考察利用Au納米粒子修飾的納米TiO<,2>復(fù)合物加速HRP與玻碳電極之間的直接電子傳遞行為，探索研制非媒介體型的過(guò)氧化氫傳感器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)納米TiO<,2>用Au納米粒子修飾后，電極的反應(yīng)電阻大大下降，TiO<,2>/GC電極的反應(yīng)電阻為1548 O，而AuNP-TiO<,2>/GC電極的反應(yīng)電阻為1134 O；Au在納米TiO<,2>上的修飾提高了HRP的電化學(xué)響應(yīng)，HRP/AuNP-TiO<,2>/GC電極的氧化還

13、原峰電流大于HRP/TiO<,2>/GC電極的峰電流；HRP/AuNP-TiO<,2>/GC電極中的HRP對(duì)過(guò)氧化氫具有較強(qiáng)的催化作用，對(duì)H<,2>O<,2>具有快速地電流響應(yīng)，能在小于2秒的時(shí)間內(nèi)達(dá)到95％的穩(wěn)態(tài)電流；HRP/AuNP-TiO<,2>/GC電極具有較小的表觀米氏常數(shù)K<'app><,M>(234/μM)，說(shuō)明固定在AuNP-TiO<,2>膜中的HRP顯示了較高的酶催化活性和對(duì)過(guò)氧化氫的高親和力；HRP/AuNP-TiO

14、<,2>/GC電極的重現(xiàn)性較好，對(duì)濃度為200μM過(guò)氧化氫連續(xù)測(cè)試6次，其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(R．S．D．)為4.3％。 5．初步嘗試以高壓汞燈作為紫外線(xiàn)的光源，以納米TiO<,2>溶膠作為載體，采用簡(jiǎn)便的紫外光還原法制備了納米Au/TiO<,2>復(fù)合半導(dǎo)體粒子。用紫外一可見(jiàn)光譜，SEM和XRD進(jìn)行了表征，證實(shí)了納米Au粒子的形成，并采用提拉法將此復(fù)合溶膠固定在ITO基底上制備成薄膜，測(cè)量納米Au/TiO<,2>復(fù)合膜電極的光電流，

15、考察納米Au/TiO<,2>復(fù)合膜的光電化學(xué)性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：光電流起于345 nm，并在360 nm波長(zhǎng)時(shí)光電流達(dá)到峰值，然后光電流值開(kāi)始減小，當(dāng)波長(zhǎng)達(dá)到395nm時(shí)，光電流會(huì)變得較弱；納米Au/TiO<,2>電極的光電流值明顯大于沒(méi)有修飾納米Au的TiO<,2>電極，當(dāng)光的波長(zhǎng)為360nm時(shí)，納米TiO<,2>膜電極的光電流值為23nA/cm<'2>，而納米Au/TiO<,2>復(fù)合膜電極的光電流為37 nA/cm<'2>?？傮w來(lái)說(shuō)