多巴胺熒光傳感器的研究進(jìn)展

崔榮偉,韓文婧,韓藝,劉芳,李雪貞,鄒芳,趙佃英

(濰坊職業(yè)學(xué)院 化學(xué)工程學(xué)院,山東 濰坊 262737)

多巴胺(DA)是重要的內(nèi)源性生化分子,在中樞和外周神經(jīng)系統(tǒng)以及心血管系統(tǒng)中起神經(jīng)遞質(zhì)和化學(xué)信使的作用。在神經(jīng)和體液的生理?xiàng)l件下,DA的正常濃度在10～1 000 nmol/L之間。DA濃度的失衡與不同類型的疾病有關(guān)。人體缺乏DA會(huì)導(dǎo)致抑郁、注意力不集中、阿爾茨海默病、精神分裂癥和帕金森氏癥。高濃度的DA對(duì)我們的身體也是有害的。DA分泌過(guò)多會(huì)導(dǎo)致心率加快、高血壓、妄想、幻覺(jué)和心力衰竭。然而,DA有許多類似物(圖1A),一些潛在的干擾物(尿酸和抗壞血酸,圖1B),使其檢測(cè)復(fù)雜化。因此,探索快速、簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確、靈敏度高、特異性強(qiáng)的DA檢測(cè)方法對(duì)于這些疾病的關(guān)鍵診斷起著重要作用[1-2]。

圖1 (A)多巴胺及其類似物的結(jié)構(gòu)和(B)生物樣品中一些干擾物的結(jié)構(gòu)

迄今,研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出不同的方法來(lái)檢測(cè)DA,包括高效液相色譜法(HPLC)、電化學(xué)法、質(zhì)譜法、化學(xué)發(fā)光、毛細(xì)管電泳等[3-6]。然而,這些技術(shù)大多耗時(shí)、前處理復(fù)雜、儀器昂貴、操作專業(yè),限制了其在DA常規(guī)檢測(cè)中的應(yīng)用。與傳統(tǒng)的DA檢測(cè)方法相比,熒光傳感技術(shù)因具有儀器簡(jiǎn)單、操作迅速,較高的選擇性和靈敏度等優(yōu)勢(shì),已廣泛應(yīng)用于DA的分析檢測(cè)[7-8]。

分子識(shí)別與信號(hào)輸出之間的作用機(jī)制對(duì)熒光傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。熒光傳感系統(tǒng)與DA相互作用引起的熒光強(qiáng)度變化通常作為DA檢測(cè)的依據(jù),大量基于常規(guī)機(jī)制的DA傳感器已經(jīng)被開(kāi)發(fā)出來(lái)。其中,基于光物理過(guò)程的傳感機(jī)制最常用于構(gòu)建DA的熒光傳感系統(tǒng),相關(guān)機(jī)理包括F?rster共振能量轉(zhuǎn)移(FRET)、內(nèi)濾效應(yīng)(IFE)、光致電子轉(zhuǎn)移(PET)、靜態(tài)猝滅和動(dòng)態(tài)猝滅。結(jié)合近年來(lái)有關(guān)DA熒光傳感器的報(bào)道,綜述了基于稀土離子、碳量子點(diǎn)、金屬納米團(tuán)簇、核酸適配體等類型的傳感器在DA檢測(cè)的方面研究進(jìn)展,并解釋了相關(guān)機(jī)制。

1 稀土離子

稀土發(fā)光離子具有發(fā)射帶窄、熒光壽命長(zhǎng)、斯托克斯位移大等優(yōu)點(diǎn),常用于熒光探針的構(gòu)建。稀土發(fā)光離子由于存在f→f電子禁躍遷,發(fā)光效率較低。許多方法如選擇適宜的配體、表面活性劑,金屬表面增強(qiáng)熒光效應(yīng)(MEF)等可以用于增強(qiáng)稀土離子發(fā)光。其中,稀土離子Tb3+的特征熒光以及Tb3+與配體之間的相互作用被廣泛應(yīng)用于分析檢測(cè)[9-10]。

Li等采用金納米花(AuNFs)增強(qiáng)Tb3+熒光的策略來(lái)進(jìn)行DA的高靈敏度檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)中,所制備的AuNFs具有豐富的邊緣和鋒利的多棱角形態(tài),是很好的MEF效應(yīng)底物。DA既可作為T(mén)b3+的配體,又是調(diào)節(jié)AuNFs與Tb3+之間的距離的橋梁試劑。通過(guò)DA敏化發(fā)光與AuNFs引起的MEF的協(xié)同作用,Tb3+的特征熒光顯著增強(qiáng)。在最佳實(shí)驗(yàn)條件下,DA檢測(cè)線性范圍為0.80～300 nmol/L,檢出限為0.21 nmol/L。該方法成功地于血清樣品和鹽酸DA注射液樣品進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證[11]。

Sun J等開(kāi)發(fā)了一種明膠包覆銀納米顆粒(AgNPs@gel)-Tb3+熒光傳感器。明膠不僅調(diào)節(jié)了AgNPs@gel和Tb3+之間的間隔距離,而且其表面富含的胺和羧基可作為T(mén)b3+配合物的共配體,起到了很好地提高Tb3+發(fā)光效率的作用。當(dāng)DA濃度為0.80～100 nmol/L和100～1 000 nmol/L時(shí),體系在544 nm處的熒光發(fā)射強(qiáng)度與DA濃度呈線性關(guān)系,檢出限為0.54 nmol/L。此外,該方法顯示出對(duì)其他神經(jīng)遞質(zhì)良好的選擇性[12]。

2 碳量子點(diǎn)

碳量子點(diǎn)(CQDs)是一種碳基零維材料,具有發(fā)射帶窄、熒光強(qiáng)度高、量子產(chǎn)率高、抗光漂白穩(wěn)定性好等優(yōu)良光學(xué)特性,被廣泛用作熒光傳感材料。CQDs的適當(dāng)功能化通過(guò)快速PET到目標(biāo)分子表面提供了顯著的熒光猝滅。

馬紅燕[14]等以花生仁和水為原料,通過(guò)水熱法制備了可用于DA檢測(cè)的花生仁碳量子點(diǎn)(PN-CQDs)。在激發(fā)波長(zhǎng)為326 nm時(shí),該P(yáng)N-CQDs在408 nm處發(fā)射出最強(qiáng)藍(lán)色熒光。加入Ce(Ⅳ)后,Ce(Ⅳ)與該P(yáng)N-CQDs發(fā)生PET,并且Ce(Ⅳ)與PN-CQDs表面基團(tuán)結(jié)合使PN-CQDs發(fā)生聚集,兩種作用共同導(dǎo)致PN-CQDs在408 nm處的熒光發(fā)生動(dòng)態(tài)猝滅。DA加入后,結(jié)合于PN-CQDs表面強(qiáng)氧化性的Ce(Ⅳ)可與DA發(fā)生反應(yīng),從而使Ce(Ⅳ)從PN-CQDs表面移除,該P(yáng)N-CQDs的熒光得以恢復(fù)。此方法DA檢測(cè)的線性范圍為0.25～10 μmol/L,檢出限為90 nmol/L。

王騰飛[15]等構(gòu)建了“開(kāi)-關(guān)-開(kāi)”型熒光體系用于DA檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)中采用常見(jiàn)糧食合成了CQDs,該CQDs與帶正電的鐵離子發(fā)生靜電結(jié)合而產(chǎn)生PET,使得CQDs的熒光猝滅;加入DA后,DA結(jié)合鐵離子,CQDs熒光得以恢復(fù)。CQDs在440 nm的發(fā)射峰熒光恢復(fù)值與DA濃度在1～110 μmol/L范圍內(nèi)呈良好線性關(guān)系,檢出限為0.3 μmol/L。該方法成功實(shí)現(xiàn)了牛奶中DA的快速、高靈敏度檢測(cè)。

3 核酸適配體

核酸適配體是DNA或RNA的短序列,具有較高的親和力和特異性等特點(diǎn),此外,適配體可以用不同的熒光團(tuán)進(jìn)行功能化,對(duì)特定生物標(biāo)志物表現(xiàn)出優(yōu)異的FRET響應(yīng),在生物傳感領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景[16]。利用納米材料較強(qiáng)的熒光猝滅性能,可設(shè)計(jì)基于熒光強(qiáng)度變化的核酸適配體熒光探針[17]。原理示意圖如圖2所示。首先,用熒光團(tuán)修飾適配體。納米材料(如氧化石墨烯(GO)或二硫化鉬納米片)被用作猝滅劑。熒光團(tuán)標(biāo)記的適配體吸附在納米材料上,導(dǎo)致適配體熒光猝滅。當(dāng)DA存在時(shí),DA與適配體結(jié)合,觀察到熒光增強(qiáng)。

圖2 基于適配體的熒光傳感器。熒光團(tuán)和猝滅劑可以是各種納米材料或分子熒光團(tuán)[17]

姜利英[18]等制備了修飾有熒光基團(tuán)(FAM)的DA核酸適配體。以GO作為猝滅劑,GO以共振方式把核酸適體上FAM能量轉(zhuǎn)移到其表面,熒光信號(hào)猝滅;隨著DA加入,熒光強(qiáng)度恢復(fù)。在最佳實(shí)驗(yàn)條件下,熒光強(qiáng)度與DA濃度成線性比例,線性檢測(cè)范圍為1～500 μmol/L,檢測(cè)限為1 μmol/L。該傳感器具有檢測(cè)范圍寬、檢測(cè)速度快、特異性強(qiáng)以及成本低等優(yōu)點(diǎn),然而,該策略中熒光強(qiáng)度變化不明顯,DA分析檢測(cè)靈敏度不高。

Teniou等[19]制備了一種基于GO的熒光適體傳感器,用于快速測(cè)定DA。該適體傳感器中GO用作能量供體,羧基FAM標(biāo)記的適配體作為受體。在沒(méi)有DA的情況下,羧基FAM-適配體通過(guò)核苷酸堿基與碳網(wǎng)絡(luò)之間的π π堆積相互作用吸附在GO表面,導(dǎo)致FRET較弱,羧基FAM標(biāo)記的適配體熒光猝滅。加入DA后,適配體發(fā)生構(gòu)象變化以高親和力與DA結(jié)合,熒光得以恢復(fù)。DA檢測(cè)的線性范圍為3～1 680 nmol/L,檢出限為0.1 nmol/L。此外,該傳感器在存在各種干擾物的情況下,表現(xiàn)出輕微的反應(yīng),并且在人血清樣品中顯示出令人滿意的適用性。

Chen等[20]報(bào)道了一種基于適配體功能化熒光MoS2量子點(diǎn)和MoS2納米片猝滅劑的DA傳感器。該體系具有優(yōu)異的猝滅效率,加入DA后熒光增強(qiáng)10倍以上。該生物傳感器靈敏度高,光學(xué)性能好,DA檢測(cè)限為45 pmol/L。在0.1 nmol/L至1 000 nmol/L范圍內(nèi),該適配體熒光強(qiáng)度隨DA濃度的增加而線性增加,檢測(cè)限低至45 pmol/L,該生物傳感器靈敏度高,光學(xué)性能好,重復(fù)性高,細(xì)胞毒性低,可用于血清檢測(cè),也可應(yīng)用于活細(xì)胞的熒光成像。

4 金屬納米團(tuán)簇

金屬納米團(tuán)簇(MNCs)尺寸介于金屬原子和納米顆粒之間,MNCs具有類似分子的性質(zhì)和優(yōu)異的熒光發(fā)射性能,此外生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)使得MNCs成為引人注目的熒光納米材料[21]。MNCs發(fā)光的主要原因是配體-金屬間的FRET[22],因此通?？刹捎肍RET,增加配體剛性等策略來(lái)制備具有較強(qiáng)熒光強(qiáng)度的MNCs。通過(guò)將供體分子雜交到MNCs表面,供體的發(fā)射光譜與受體的吸收光譜重疊,導(dǎo)致從供體到受體的FRET,提高了MNCs的發(fā)射強(qiáng)度。而通過(guò)引入電荷相反或結(jié)構(gòu)龐大的雜化分子來(lái)可以實(shí)現(xiàn)配體剛性的增加,這可以阻止MNCs表面的分子內(nèi)旋和振動(dòng),從而導(dǎo)致熒光增強(qiáng)。

翟紅等[23]將谷胱甘肽作穩(wěn)定劑制備了熒光金簇(AuGSH),將其與間苯二酚相結(jié)合后,構(gòu)建了新型DA比率熒光傳感。在強(qiáng)堿性條件下,DA與間苯二酚結(jié)合會(huì)在455 nm產(chǎn)生藍(lán)色熒光信號(hào),而AuGSH在588 nm處的紅色熒光強(qiáng)度不受影響,比率熒光信號(hào)(F455 nm/F588 nm)在DA濃度為1～10 μmol/L和10～20 μmol/L范圍內(nèi)均具有較好的線性關(guān)系,檢出限為0.23 μmol/L。此外,實(shí)驗(yàn)還對(duì)常見(jiàn)的潛在干擾物進(jìn)行了檢測(cè),結(jié)果顯示潛在干擾物不影響DA的檢測(cè),說(shuō)明該方法具有良好的選擇性。

Aparna等[24]合成了兩種類型的藍(lán)光銅納米團(tuán)簇(CuNC)用于DA檢測(cè)。在H2O2存在的情況下合成了牛血清白蛋白銅納米簇BSA CuNC1,另一種是在H2O2不存在的情況下合成的。添加DA后,BSA CuNC1表現(xiàn)出快速的熒光猝滅反應(yīng),這種快速反應(yīng)可以歸因于H2O2存在下BSA CuNC1的氧化,以及PET、IFE和聚集效應(yīng)的共同作用。對(duì)于這兩個(gè)系統(tǒng),在0.1 nmol/L到0.6 nmol/L的濃度范圍內(nèi)對(duì)DA都有線性響應(yīng)。BSA CuNC1的檢測(cè)限為0.163 7 pmol/L,BSA CuNC2為0.024 nmol/L。BSA CuNC1探針還有效地應(yīng)用于人血清和尿液樣本中DA的靈敏檢測(cè)。此外,利用BSA CuNC1開(kāi)發(fā)了一種方便直接的紙質(zhì)試紙條,為快速簡(jiǎn)便監(jiān)測(cè)DA提供了新方法。

5 其他

除稀土、碳量子點(diǎn)、核酸適配體、金屬納米團(tuán)簇等類型,還有其他的材料,包括二氧化硅納米顆粒(SiNPs)、聚合物和碳納米管(CNTs)等,已被用于DA檢測(cè)的熒光傳感器制造。

Zhang等[25]使用微波輔助加熱法合成了硅納米顆粒(SiNPs),以該SiNPs來(lái)作為DA熒光傳感器。光激發(fā)導(dǎo)致SiNPs與氧化后的多巴胺醌分子間發(fā)生FRET,SiNPs的熒光猝滅。該傳感器的檢測(cè)限為0.3 nmol/L,線性檢測(cè)范圍為0.005～10 μmol/L。該方法的檢測(cè)限令人滿意,傳感器制作簡(jiǎn)單。

Qian等[26]采用多步驟合成了一種共軛聚合物,利用該聚合物熒光變化來(lái)定量檢測(cè)DA。合成的聚合物由熒光發(fā)射核及表面標(biāo)記的苯基硼酸(PBA)組成。DA因硼酸對(duì)二元醇的特異性識(shí)別結(jié)合在PBA位點(diǎn)。該聚合物和DA之間產(chǎn)生光誘導(dǎo)PET過(guò)程,體系熒光猝滅,隨后DA氧化為多巴胺醌。使用該方法可以檢測(cè)到濃度低至38.8 nmol/L的DA,但該傳感器制備過(guò)程相對(duì)復(fù)雜。

Kruss等[27]開(kāi)發(fā)了一種新型電暈相分子識(shí)別技術(shù),利用熒光單壁碳納米管(SWCNTs)光學(xué)檢測(cè)DA的方法。該策略使用不同的聚合物包裹在SWCNTs上,產(chǎn)生聚合物-SWCNTs雜化物,從而實(shí)現(xiàn)DA等神經(jīng)遞質(zhì)分析物的電暈相分子識(shí)別。在加入100 μmol/L DA后,DA可使特定單鏈DNA和RNA包裹的SWCNTs的熒光增強(qiáng)58%～80%。在溶液中,檢測(cè)限為11 nmol/L。機(jī)制研究表明,這種熒光開(kāi)啟響應(yīng)反應(yīng)是由于熒光量子產(chǎn)率的增加,該熒光傳感器的信號(hào)變化是可逆的。

6 結(jié)論與展望

DA是重要的兒茶酚胺類神經(jīng)遞質(zhì)之一,其濃度失衡會(huì)引發(fā)帕金森病、精神分裂癥和亨廷頓病等神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)病。因此,開(kāi)發(fā)靈敏、選擇性檢測(cè)DA的方法已成為全世界的研究熱點(diǎn)。目前,許多熒光傳感器已證實(shí)具備突出的靈敏度、簡(jiǎn)單、低成本等優(yōu)勢(shì)。然而,盡管靈敏度較好,選擇性將是實(shí)際樣品分析的一個(gè)問(wèn)題。

DA只有在人體內(nèi)幾種生物分子以合作的方式存在時(shí)才能發(fā)揮作用,復(fù)雜的體內(nèi)環(huán)境對(duì)DA熒光傳感器的親和性、特異性要求更高,開(kāi)發(fā)的傳感器應(yīng)該能夠檢測(cè)真實(shí)樣本中的DA,如人類尿液和血清,而不會(huì)產(chǎn)生任何假陽(yáng)性結(jié)果。更多地了解DA在各種刺激下的生化和生理作用,在其他生物分子存在的情況下實(shí)現(xiàn)檢測(cè)人體樣本中的DA尤為重要。因此,需要特定的設(shè)計(jì)策略來(lái)更好地區(qū)分DA與其干擾物和類似物,并且傳感器達(dá)到的靈敏度和檢測(cè)限度應(yīng)超過(guò)診斷和生理相關(guān)水平?？偟膩?lái)說(shuō),未來(lái)的DA傳感研究應(yīng)該集中在基于體外和體內(nèi)技術(shù)的DA和其他生物學(xué)相關(guān)靶點(diǎn)的敏感和選擇性多通路檢測(cè)上,以潛在地應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)診斷,監(jiān)測(cè)DA以及其他生物標(biāo)志物。