量子點(diǎn)化學(xué)傳感器及其在生物分析中的應(yīng)用
量子點(diǎn)具有比表面積大、表面活性高以及發(fā)光性質(zhì)對(duì)表面狀態(tài)敏感的特點(diǎn)，多種物質(zhì)能夠改變量子點(diǎn)的電子/空穴復(fù)合效率，對(duì)其光學(xué)性質(zhì)造成影響，進(jìn)而引起熒光的猝滅或增強(qiáng)?；谶@一性質(zhì)，許多工作應(yīng)用量子點(diǎn)對(duì)離子、小分子藥物以及生物大分子進(jìn)行定量檢測(cè)研究。這類(lèi)工作證實(shí)了量子點(diǎn)用于定量分析的可行性，但是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，測(cè)定原理往往僅依賴(lài)于量子點(diǎn)的固有光學(xué)特性，因此定量分析的對(duì)象種類(lèi)非常有限，選擇性也不甚理想。
近年來(lái)，基于量子點(diǎn)特殊表面修飾、結(jié)合電子轉(zhuǎn)移和能量轉(zhuǎn)移原理的新型熒光納米化學(xué)傳感器的設(shè)計(jì)和合成，大大拓展了量子點(diǎn)在定量檢測(cè)方向上的應(yīng)用范圍，將研究水平提高到一個(gè)新的臺(tái)階。這類(lèi)新型納米傳感器具有體積小、靈敏度高、反應(yīng)速度快、選擇性好的優(yōu)點(diǎn)，很有希望發(fā)展成為單細(xì)胞及生物活體高分辨率空間范圍內(nèi)化學(xué)物質(zhì)檢測(cè)的重要工具。
1、在無(wú)機(jī)離子測(cè)定中的應(yīng)用
氮雜大環(huán)衍生物1,4,7-三氮雜環(huán)壬烷（tacn）、1,4,7,10-四氮雜環(huán)十二烷（cyclen）和1,4,8,11-四氮雜環(huán)十四烷（cyclam）表面修飾的CdSe/ZnS量子點(diǎn)Zn 2+選擇性探針。如(圖A)所示，首先將氮雜大環(huán)衍生物通過(guò)酰胺鍵偶聯(lián)到量子點(diǎn)表面，當(dāng)受到激發(fā)光照射后，量子點(diǎn)上的電子空穴轉(zhuǎn)移到氮雜大環(huán)上，阻礙了電子復(fù)合的過(guò)程，導(dǎo)致量子點(diǎn)熒光“關(guān)閉”。當(dāng)Zn2+進(jìn)入氮雜冠醚，氮原子上的孤對(duì)電子參與配位，二者不能實(shí)現(xiàn)電子空穴轉(zhuǎn)移，因而造成量子點(diǎn)熒光“打開(kāi)”，熒光強(qiáng)度明顯上升。在一定范圍內(nèi)探針熒光強(qiáng)度和Zn2+ 濃度呈現(xiàn)良好的線(xiàn)性關(guān)系。
以CdS:Mn/ZnS量子點(diǎn)為核，在其表面修飾Cd2+ 選擇性配體1,10-二氮雜-18-冠-6（1,10-diaza-18-crown-6），制備成為一種新型的Cd2+ 熒光增強(qiáng)型納米探針（圖B）。未經(jīng)修飾的量子點(diǎn)對(duì)金屬離子沒(méi)有響應(yīng)，修飾后表面配體和量子點(diǎn)之間發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，而選擇性結(jié)合鎘離子后二者間電子轉(zhuǎn)移的通路受阻，隨著鎘離子加入熒光強(qiáng)度線(xiàn)性增強(qiáng)直至基本平衡。
也有工作基于15-冠-5對(duì)KP +P 的特異性識(shí)別作用設(shè)計(jì)了CdSe/ZnS量子點(diǎn)K+探針。 15-冠-5能識(shí)別K + 并形成15-冠-5/K + /15-冠-5這種“三明治”型分子，因此研究人員將15-冠-5分別修飾發(fā)射波長(zhǎng)為545 nm和635 nm熒光的兩種不同尺寸CdSe/ZnS量子點(diǎn)，形成具有K+ 識(shí)別能力的離子探針，結(jié)構(gòu)如(圖C)所示。在兩種量子點(diǎn)的混合水溶液中加入K+ 后，將形成量子點(diǎn)545 nm/K + /量子點(diǎn)635 nm復(fù)合物，從而引發(fā)不同顏色量子點(diǎn)間的Förster 能量轉(zhuǎn)移，造成二者熒光信號(hào)的升降變化，據(jù)此就可以測(cè)定K + 含量。
在CdSe/ZnS量子點(diǎn)表面修飾 1-(2-巰基-乙基)-3-苯基-硫脲，形成量子點(diǎn)熒光體-連接體-受體形式的光致電子轉(zhuǎn)移探針。該探針對(duì)F - 、Cl -以及醋酸根離子（AcO -）非常敏感，熒光猝滅可達(dá)90%左右，但Br -和HSO4 -對(duì)探針的熒光幾乎沒(méi)有影響。熒光猝滅 的原理是陰離子和受體結(jié)合使得激發(fā)態(tài)量子點(diǎn)和受體間的光致電子轉(zhuǎn)移增強(qiáng)，因而量子 點(diǎn)的熒光強(qiáng)度隨之下降。(圖D)顯示該傳感器對(duì)AcO -的識(shí)別作用。陰離子的選擇性取決于受體的結(jié)構(gòu)，在受體相同，而熒光體為蒽的類(lèi)似熒光傳感器上也得到了相同的離子選擇性結(jié)果。
在氰離子探針研究中也取得了創(chuàng)新性成果。他們將TOPO-CdSe 量子點(diǎn)和2,2’-二吡啶-Cu 2+（[(bipy)CuCl2]）混合形成超分子復(fù)合物（圖E），二者間的電子轉(zhuǎn)移使量子點(diǎn)熒光發(fā)生猝滅。在體系中加入CN-后，能和Cu 2+ 形成結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定的[Cu(CN)n] (n-1)-配合物，使[(bipy)CuCl2]中的金屬脫去，形成二吡啶。量子點(diǎn)表面的二吡啶結(jié)構(gòu)沒(méi)有熒光猝滅的能力，因此其熒光又重新出現(xiàn)。這種檢測(cè)方法也非常直觀，在普通紫外燈下就可以進(jìn)行觀察。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)復(fù)合體系對(duì)CN -具有非常好的選擇性。
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2、在內(nèi)源性小分子測(cè)定中的應(yīng)用
高選擇性和靈敏度的QDs-ConA-β-CDs-AuNPs納米化學(xué)傳感器用于直接測(cè)定血清中的葡萄糖含量。測(cè)定基于供體CdTe量子點(diǎn)和受體金納米粒子（AuNPs）之間的FRET作用。由于刀豆球蛋白A（ConA）修飾的量子點(diǎn)和巰基化β-環(huán)糊精（β-SH-CDs）修飾的AuNPs間的特異性作用，二者混合后發(fā)生聚合，形成率FRET納米傳感器（圖A)。葡萄糖存在時(shí)，能競(jìng)爭(zhēng)β-CDs在ConA上的結(jié)合位點(diǎn)，導(dǎo)致傳感器中β-CDs-AuNPs 部分被葡萄糖置換，進(jìn)而使得體系中猝滅狀態(tài)下的量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度回升。量子點(diǎn)-硼酸取代紫精納米傳感器體系用以檢測(cè)葡萄糖。研究表明，量子點(diǎn)和紫精（MV 2+）間能夠進(jìn)行激發(fā)態(tài)電子轉(zhuǎn)移，使紫精還原為MVC +。在pH7.4條件下，帶正電的硼酸取代紫精和表面帶負(fù)電荷的羧基修飾量子點(diǎn)混合，二者通過(guò)靜電作用形成復(fù)合物，量子點(diǎn)熒光顯著猝滅。加入葡萄糖后，復(fù)合物中硼酸基團(tuán)和葡萄糖的羥基特異性結(jié)合，紫精猝滅體與量子點(diǎn)脫離，量子點(diǎn)熒光回復(fù)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)未經(jīng)硼酸修飾的BV2+也同 樣可以猝滅量子點(diǎn)熒光，但葡萄糖的加入不能使復(fù)合體系熒光增強(qiáng)，證實(shí)硼酸在整個(gè)傳感器系統(tǒng)中起到重要的分子識(shí)別作用。
基于量子點(diǎn)光致電子轉(zhuǎn)移性質(zhì)，選擇麥芽糖結(jié)合蛋白（MBP）作為生物識(shí)別物質(zhì)設(shè)計(jì)了濃度型麥芽糖傳感器。如(圖B)所示，首先將MBP和六氟磷酸-（（四氨）5-馬來(lái)酰亞胺基-菲羅啉）合釕偶聯(lián)，繼而通過(guò)巰基將修飾后的MBP連接到CdSe量子點(diǎn)上。這種結(jié)合作用拉近了作為電子供體的釕化物和量子點(diǎn)之間的距離，在激發(fā)狀態(tài)下可以將電子有效地轉(zhuǎn)移給量子點(diǎn)，導(dǎo)致量子點(diǎn)熒光下降了5倍。 在復(fù)合物結(jié)合了麥芽糖后，蛋白分子的空間構(gòu)象發(fā)生顯著變化，釕化物供體與量子點(diǎn)表面的空間距離變遠(yuǎn)，電子轉(zhuǎn)移效率下降，量子點(diǎn)熒光又隨之上升了1.4倍。
3、在生物大分子測(cè)定中的應(yīng)用
⑴蛋白質(zhì)分析
基于熒光共振能量轉(zhuǎn)移原理，將多肽兩端同時(shí)連接量子點(diǎn)和有機(jī)熒光染料形成納米探針用于測(cè)定酶活力也有一系列的應(yīng)用。將CdSe量子點(diǎn)修飾上含有特定切割序列的多肽，在多肽的末端修飾熒光染料作為量子點(diǎn)熒光的猝滅體，造成熒光信號(hào)的下降。加入特定序列選擇性水解酶后，多肽結(jié)構(gòu)被切斷，有機(jī)染料猝滅體從復(fù)合物體系中脫離，量子點(diǎn)熒光恢復(fù)。將羅丹明紅-X染料標(biāo)記的RGDC序列多肽和CdSe/ZnS量子點(diǎn)相連組成熒光探針測(cè)定膠原酶的活力。如圖所示，隨著酶加入量的增大，量子點(diǎn)的熒光強(qiáng) 度逐漸上升而有機(jī)染料的熒光逐漸下降。采用類(lèi)似的思路合成不同結(jié)構(gòu)的多肽并分別在兩端結(jié)合有機(jī)染料和CdSe/ZnS量子點(diǎn)，測(cè)定了半胱氨酸蛋白酶-1（caspase-1）、凝血酶（thrombin）、膠原酶（collagenase）和糜蛋白酶（chymotrypsin）的蛋白水解活性。應(yīng)用不同發(fā)射波長(zhǎng)的量子點(diǎn)組成FRET供受體對(duì)，測(cè)定小鼠免疫球蛋白（IgG）含量。選擇紅色CdTe量子點(diǎn)為供體，綠色CdTe量子點(diǎn)為受體，加入小鼠IgG后，橋連了兩種量子點(diǎn)組成FRET體系。通過(guò)供受體熒光強(qiáng)度的升降變化測(cè)定小鼠的IgG濃度，在0.1-20.0 mg LP -1P 范圍內(nèi)與供受體的熒光強(qiáng)度比值呈線(xiàn)性關(guān)系。
⑵核酸分析
量子點(diǎn)熒光探針也被嘗試應(yīng)用于DNA雜交和解鏈分析。通常做法是將DNA基因片斷標(biāo) 記上量子點(diǎn)，然后和同樣經(jīng)過(guò)熒光標(biāo)記的DNA序列雜交，通過(guò)觀察熒光信號(hào)變化判斷特定 種類(lèi)DNA序列的有無(wú)、含量以及進(jìn)一步研究解鏈酶活性等。將5’末端為巰 基的寡核苷酸連接在CdSe/ZnS量子點(diǎn)上。在其補(bǔ)鏈的3’末端標(biāo)記德克薩斯紅，二者雜交生成DNA雙鏈結(jié)構(gòu)。DNA中的量子點(diǎn)和有機(jī)染料的距離變近，二者間可以發(fā)生FRET，580 nm處量子點(diǎn)熒光下降2.5倍，在615 nm出現(xiàn)了染料所對(duì)應(yīng)的新譜峰。在該雙鏈結(jié)構(gòu)中加入脫氧核糖核酸T酶TI后，雙鏈解開(kāi)，染料和量子點(diǎn)分開(kāi)，F(xiàn)RET效率下降，量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度回升。利用單分子熒光檢測(cè)技術(shù)建立了一種超靈敏的DNA納米探針。每個(gè) DNA納米探針包含兩條特定靶向的寡核苷酸探針：Cy5標(biāo)記的報(bào)告探針和生物素標(biāo)記的捕獲探針。當(dāng)溶液中有目標(biāo)DNA時(shí)，即同報(bào)告探針和捕獲探針自行結(jié)合，形成了納米傳感復(fù)合物。向復(fù)合物溶液中加入鏈霉親和素修飾CdSe/ZnS量子點(diǎn)后，若干個(gè)復(fù)合物被一個(gè)量子點(diǎn)捕獲，供體量子點(diǎn)和復(fù)合物上Cy5間發(fā)生熒光共振能量轉(zhuǎn)移，通過(guò)測(cè)量二者熒光強(qiáng)度 的增減變化實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)DNA定量測(cè)定。此納米探針對(duì)DNA的檢測(cè)限為4.8 fm，在檢測(cè)靈敏度等方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。
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