贵金属纳米团簇与蛋白质相互作用的热力学研究

Noble metal (gold, silver, copper, etc.) nanoclusters (NCs) are a new class of luminescent nanomaterials with unique characteristics such as ultrasmall sizes (<2 nm) and molecule-like structures (formed by several to tens of atoms), thus they have highly potential biomedical applications. Since nanomaterials firstly face proteins when entering the biosystems, the primary priority is to study the interactions between nanomaterials and proteins, and elucidate the interaction mechanisms. This proposal focuses on the key point – “Interactions on the nano-bio interface”. Microcalorimetry, fluorescence spectroscopy and electrochemistry will be employed to obtain the thermodynamic properties of the interactions between NCs and important proteins in blood and of medical use. The thermodynamic properties will be rationally analyzed and explained. Circular dichroism spectroscopy (CD), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), dynamic light scattering (DLS) and microscopic analysis will be used to study the structural changes of both NCs and proteins, so as to elucidate the molecular mechanism and set up the model of interactions. Consequently, it will make clear the relationship between the chemical composition, size and surface properties of NCs and the thermodynamic properties of interactions. The research results will shed light on the rational design, efficient applications and biosafety evaluation of NCs.

贵金属（金、银、铜等）纳米团簇是一类新型的发光纳米材料，具有超小粒径（一般小于2 nm）和类似分子的结构（由几个到几十个原子组成）等独特性质，在生物医学等领域具有重要应用前景。纳米材料进入生命体系，首先与蛋白质相互作用，因此首要任务是研究纳米材料与蛋白质的相互作用，阐明其相互作用机制。本项目聚焦产生生物效应的关键-“纳米-生物界面相互作用”，采用微量热、荧光光谱和电化学等技术方法，获取贵金属纳米团簇与血浆中重要蛋白质及重要医用蛋白质之间相互作用的热力学性质，并进行合理解析；结合CD、FT-IR、XPS、DLS及显微等微观结构分析，阐明相互作用的分子机制，构建相互作用模型，揭示贵金属纳米团簇的组成、粒径和表面性质等结构因素与相互作用热力学性质之间的内在联系。该项目的研究结果将对贵金属纳米团簇精细设计、高效应用及生物安全性评价等有重要意义。

纳米粒子进入血液等生物体系，不可避免与蛋白质等生物大分子相互作用，在纳米粒子表面形成蛋白冠。然而，对于超小纳米粒子（~2nm），其尺寸小于大多数蛋白分子，无法完全套用蛋白冠模型。贵金属纳米团簇是一类代表性的超小纳米粒子，具有很好的光学性质。本项目制备了不同组成、不同表面修饰的金、银等发光纳米团簇，并进行结构表征。建立了热力学模型，研究了贵金属纳米团簇与模型蛋白质（如人血清白蛋白、γ-球蛋白、转铁蛋白）的相互作用，获取了相互作用的平衡常数、焓变、熵变等系列热力学参数；考察了相互作用引起的贵金属纳米团簇和蛋白质微观结构的变化。本项目揭示了贵金属纳米团簇与蛋白质相互作用的热力学机制，提出了超小纳米粒子与蛋白质相互作用的模型。这些研究结果对贵金属纳米团簇的制备、应用及生物安全性具有指导作用，为深入认识超小纳米粒子在生物体系的理化特征奠定了基础。发表论文23篇，其中通讯作者论文19篇，包括J. Phys. Chem. B、J. Phys. Chem. C、Langmuir等。