Вплив адсорбції біомолекул на оптичні властивості наноструктурованих плівок ТІО2
Вантажиться...
Дата
2017
Науковий керівник
Укладач
Редактор
Назва журналу
ISSN
E-ISSN
Назва тому
Видавець
Одеський національний університет імені І. І. Мечникова
Анотація
Дисертація присвячена вивченню впливу адсорбції біологічних молекул на поверхні наноструктурованих плівок діоксиду титану (ТіО2), а також встановленню основних аспектів механізму взаємодії біомолекул та ТіО2. Розроблена методика формування біочутливого шару на поверхні наноструктурованих плівок TiO2 шляхом прямої (нековалентної) іммобілізації білків – антигенів вірусу лейкозу великої рогатої худоби gp51. Визначені закономірності змін у спектрах фотолюмінесценції, що виникають в результаті взаємодії між біологічними молекулами і наночастинками TiO2. Встановлено, що іммобілізація антигенів вірусу лейкозу gp51 на поверхні наноструктурованих плівок TiO2 супроводжується посиленням фотолюмінесценції TiO2 у видимому та УФ-діапазонах, а також зсувом спектру фотолюмінесценції в УФ-область. Подальша взаємодія іммобілізованих на TiO2 антигенів лейкозу з антитілами проти вірусу лейкозу (anti-gp51) призводить до зворотніх змін у спектрах фотолюмінесценції TiO2. Експериментально доведено, що адсорбційна чутливість оптичного імуносенсора на основі TiO2/gp51 до anti-gp51 знаходиться в межах від 2 до 8 мкг/мл. Аналіз поведінки сигналу імуносенсора за допомогою обчислення похідної, дозволив розрахувати точний поріг адсорбційної чутливості імуносенсора на основі TiO2/gp51, що відповідає концентрації антитіл Сanti-gp51 = 1,98 мкг/мл. Вперше визначений діапазон температури для застосування імуносенсора на основі TiO2/gp51, який становить від 25°С до 35 °С. Тим самим доведено, що аналітичний сигнал реєструвався саме від утвореної структури імуносенсора TiO2/gp51 і адсорбовані білки безпосередньо беруть участь в генерації цього сигналу. Вперше встановлений механізм взаємодії наночастинок TiO2 та біологічних молекул, головні аспекти якого полягають у тому, що основною причиною змін (зсувів) максимумів у спектрах фотолюмінесценції в результаті адсорбції антигенів gp51 на поверхні TiO2 є електростатична взаємодія між поверхневим негативним зарядом TiO2 і позитивними частковими зарядами
білків gp51. Вперше доведено, що ефекти зміщення максимуму фотолюмінесценції TiO2 і наявність адсорбційної чутливості до anti-gp51 визначаються бар'єрним ефектом, тобто змінами величини поверхневого потенційного бар'єру TiO2 в результаті адсорбції gp51 та його подальшим відновленням після взаємодії TiO2/gp51 з anti-gp51. Показано також, що структуру TiO2/gp51 можна представити як модель типу плоского конденсатора, біологічний прототип якого формується в результаті іммобілізації білка gp51. Розроблений прототип оптичного біосенсора на основі наноструктурованих плівок TiO2, модифікованих порфірином, для визначення валінової амінокислоти, що проявляє адсорбційну чутливість до валіну в діапазоні концентрацій від 0,04 до 0,16 мг/мл. Встановлений механізм взаємозв'язку між оптичними і адсорбційними характеристиками наноструктурованих плівок TiO2. Визначені закономірності взаємодії наночастинок TiO2 з біологічними об'єктами та їх вплив на оптичні властивості наночастинок TiO2. Обгрунтована доцільність практичного застосування результатів для створення нових оптичних біосенсорів, імуносенсорів.
The thesis is devoted to the study of the influence of bio-molecules adsorption on the surface of Titanium dioxide (TiO2) nanostructured thin films, as well as to the establishment of the main aspects of interaction mechanism of biomolecules and TiO2. The method of the forming a bio-sensitive layer on the surface of nanostructured TiO2 films has been developed. The bio-sensitive layer was formed by direct (non-covalent) immobilization of proteins – gp51 antigens of Bovine Leukemia virus. The changes in photoluminescence spectra appeared as a result of interaction between biological molecules and TiO2 nanoparticles were determined. It was established that the immobilization of gp51 antigens on the surface of nanostructured TiO2 films is accompanied by an increase in the photoluminescence intensity of TiO2 in the UV-vis ranges, as well as by the shift of the photoluminescence spectrum peak to the short wavelength. Further interaction of immobilized gp51 leukemia antigens with antibodies against leukemia virus (anti-gp51) resulted in the inverse changes of TiO2 photoluminescence spectra. It was experimentally proved that the adsorption sensitivity of an optical immunosensor based on TiO2/gp51 towards anti-gp51 is in the range of 2 to 8 μg/ml. By calculating the derivative from the immunosensor signal, the exact adsorption sensitivity threshold of TiO2/gp51-based immunosensor was determined, which corresponds to the concentration of antibodies Santi-gp51 = 1,98 mkg/ml. The temperature application range of TiO2/gp51-based immunosensor, determined for the first time, was in the range from 25 °C to 35 °C, thus proving that the analytical signal was recorded directly from the TiO2/gp51-based immunosensor structure and the adsorbed proteins were directly involved in the generation of this signal. The main aspects of the interaction mechanism of TiO2 nanoparticles and biological molecules are discussed for the first time. In particular, it is shown that the main reason of the changes (maxima shifts) in the photoluminescence spectra after the adsorption of gp51 antigens on the TiO2 surface is electrostatic interaction between the negative surface charge of TiO2 and the positive partial charges of the gp51 proteins. It is proved for the first time that the effects of the displacement of the TiO2 photoluminescence maximum and the fact of its adsorption sensitivity towards anti-gp51 are determined by barrier effects, i.e. by changing of the TiO2 surface potential barrier as a result of the adsorption of gp51 and its subsequent reduction after the interaction of TiO2/gp51 with anti-gp51. It is also shown that the structure of TiO2/gp51 immunosensor can be interpreted as a model based on an imaginary flat capasitor, which is formed due to the charge distribution at TiO2/gp51 interphase as a result of the immobilization of gp51 protein. An optical biosensor prototype based on porphyrin-modified TiO2 nanostructured films for determination of valine amino acid has been developed. The as-formed biosensor demontrates the adsorption sensitivity towards valine concentrations from 0.04 to 0.16 mg/ml. The correlation between optical and adsorption characteristics of nanostructured TiO2 films has been highlighted. The regularities of the interaction of TiO2 nanoparticles with biological objects and their influence on the optical properties of TiO2 nanoparticles were determined. The evidences of the practical feasibility of using the results for the development of new optical biosensors and immunosensors have been provided.
The thesis is devoted to the study of the influence of bio-molecules adsorption on the surface of Titanium dioxide (TiO2) nanostructured thin films, as well as to the establishment of the main aspects of interaction mechanism of biomolecules and TiO2. The method of the forming a bio-sensitive layer on the surface of nanostructured TiO2 films has been developed. The bio-sensitive layer was formed by direct (non-covalent) immobilization of proteins – gp51 antigens of Bovine Leukemia virus. The changes in photoluminescence spectra appeared as a result of interaction between biological molecules and TiO2 nanoparticles were determined. It was established that the immobilization of gp51 antigens on the surface of nanostructured TiO2 films is accompanied by an increase in the photoluminescence intensity of TiO2 in the UV-vis ranges, as well as by the shift of the photoluminescence spectrum peak to the short wavelength. Further interaction of immobilized gp51 leukemia antigens with antibodies against leukemia virus (anti-gp51) resulted in the inverse changes of TiO2 photoluminescence spectra. It was experimentally proved that the adsorption sensitivity of an optical immunosensor based on TiO2/gp51 towards anti-gp51 is in the range of 2 to 8 μg/ml. By calculating the derivative from the immunosensor signal, the exact adsorption sensitivity threshold of TiO2/gp51-based immunosensor was determined, which corresponds to the concentration of antibodies Santi-gp51 = 1,98 mkg/ml. The temperature application range of TiO2/gp51-based immunosensor, determined for the first time, was in the range from 25 °C to 35 °C, thus proving that the analytical signal was recorded directly from the TiO2/gp51-based immunosensor structure and the adsorbed proteins were directly involved in the generation of this signal. The main aspects of the interaction mechanism of TiO2 nanoparticles and biological molecules are discussed for the first time. In particular, it is shown that the main reason of the changes (maxima shifts) in the photoluminescence spectra after the adsorption of gp51 antigens on the TiO2 surface is electrostatic interaction between the negative surface charge of TiO2 and the positive partial charges of the gp51 proteins. It is proved for the first time that the effects of the displacement of the TiO2 photoluminescence maximum and the fact of its adsorption sensitivity towards anti-gp51 are determined by barrier effects, i.e. by changing of the TiO2 surface potential barrier as a result of the adsorption of gp51 and its subsequent reduction after the interaction of TiO2/gp51 with anti-gp51. It is also shown that the structure of TiO2/gp51 immunosensor can be interpreted as a model based on an imaginary flat capasitor, which is formed due to the charge distribution at TiO2/gp51 interphase as a result of the immobilization of gp51 protein. An optical biosensor prototype based on porphyrin-modified TiO2 nanostructured films for determination of valine amino acid has been developed. The as-formed biosensor demontrates the adsorption sensitivity towards valine concentrations from 0.04 to 0.16 mg/ml. The correlation between optical and adsorption characteristics of nanostructured TiO2 films has been highlighted. The regularities of the interaction of TiO2 nanoparticles with biological objects and their influence on the optical properties of TiO2 nanoparticles were determined. The evidences of the practical feasibility of using the results for the development of new optical biosensors and immunosensors have been provided.
Опис
Захист відбувся 24 січня 2018 року о 14.00 в ауд №22 за адресою вул. Пастера 42
Ключові слова
наночастинки TiO2, фотолюмінесценція, оптичний імуносенсор, лейкоз, електростатичний вплив білків, порфірин, аміно-кислота, біосенсор, TiO2 nanoparticles, photoluminescence, optical immunosensor, Bovine Leukemia virus, Bovine Leukemia virus, electrostatic effect of proteins, porphyrin, aminoacid, biosensor, 01.04.10. Фізика напівпровідників та діелектриків
Бібліографічний опис
Терещенко, А. В. Вплив адсорбції біомолекул на оптичні властивості наноструктурованих плівок ТІО2 / А. В. Терещенко . – 2017 .