基于卟啉/納米材料復合物的傳感陣列及其模式識別應用

張甜甜， 張 閩

（華東師范大學 化學與分子工程學院, 上海, 200241）

基于模式識別的交叉響應傳感陣列是化學/生物傳感的發展趨勢之一。傳統的生物傳感基于“鎖鑰模式”原則，通過巧妙的設計來建立具體的反應機理，使用一種傳感器特異性檢測一個靶標物。此類傳感器往往需要大量而繁瑣的合成工作，并且難以實現對多種分析物的大規模檢測和識別。如何消除和克服干擾物種的影響更是其主要問題，尤其是當遇到一組結構或物理化學性質相似的分析物時，基于“鎖鑰模式”的檢測結果可能會表現出假陽性。受哺乳動物嗅覺和味覺系統的啟發[1]，使用一系列非選擇性傳感器構筑“化學舌”的策略是解決以上問題的有效方法之一。通過傳感元件與分析物之間的相互作用產生差異化指紋響應模式，結合機器學習與數據分析，使用極簡方法來實現對多種分析物高精度、高通量的模式識別[1-3]。

設計或選擇識別元件是發展“化學舌”的重點。最受歡迎的主要是有機分子以及功能納米材料。納米材料由于其極小的特征尺寸和極大的比表面積，具有優異的理化性質，因此可以很方便地與配體相互作用或修飾形成響應-識別共軛結構，在開發新的生物傳感器方面具有很大的優勢和吸引力[4-5]。有機功能分子是作為配體化合物的首要選擇，有機分子結構變化可以部分引起熒光或可見吸光度的變化，光學性質易于讀出，并且可以提供額外的化學“把手”作為后續分析物的結合位點。有機染料作為最經典的傳感和成像探針，非常適合用于傳感陣列的設計[6-7]。卟啉是一類具有豐富配位能力和光學性質的雜環大環化合物，在材料[8]、醫藥[9]、催化[10]和生物傳感[11]等諸多領域發揮著重要的作用，是潛在的作為生物傳感器的配體。無機納米顆粒結合有機分子也促進了新型傳感陣列的發展，其主要的反應機制包括熒光共振能量轉移(fluorescence resonance energy transfer, FRET)、金屬-配體相互作用和等離子體誘導的熒光猝滅。本文將介紹2 個關于卟啉分子與功能納米材料復合物構筑傳感陣列用于模式識別的應用實例。

鑭系上轉換納米粒子(lanthanide-doped upconversion nanoparticles, Ln-UCNPs)能夠基于雙光子或多光子機制將近紅外長波長輻射轉化為可見光短波長熒光，具有發射峰窄、光漂白低、斯托克斯位移大等優點[12]。基于Ln-UCNPs 的熒光傳感分析主要依賴FRET 機理。如圖1(a)所示，一種商用卟啉水合物(四苯基卟啉四硫酸水合物，tetraphenylporphyrin tetrasulfonic acid hydrate，TPPS)可以組裝到Ln-UCNPs 上，構建有機/無機雜化復合物(TPPS/Ln-UCNPs)，TPPS 中含有4個磺酸基，可與Ln-UCNPs 表面的鑭系離子配位。在酸性緩沖條件下，TPPS 通過鑭系/磺酸基配位和靜電作用與Ln-UCNPs 結合形成有機/無機雜化結構(TPPS/Ln-UCNP)，導致TPPS(受體)和Ln-UCNPs(供體)之間發生FRET 從而猝滅Ln-UCNPs 的上轉換熒光。一些具有更強配位特性的配體，如三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)可以通過競爭的方式取代TPPS，從而誘導FRET的阻斷和Ln-UCNPs 的熒光恢復。我們利用TPPS 和磷酸鹽化合物(phosphate compounds,PCs)之間的競爭機制，開發了一種新型的pH 調節TPPS/Ln-UCNPs 比色/熒光雙模式傳感陣列，用于PCs 的模式識別。TPPS/Ln-UCNPs 傳感陣列具有低成本、響應快速、靈活性和易于操作的特點，能夠成功識別出包括焦磷酸、三磷酸腺苷、三磷酸鳥苷等具有重要生物意義的14 種PCs，具有較高的準確性和可靠性，在實際應用(如PCs 相關疾病的無創診斷)中具有很大的前景[13]。

圖1 基于卟啉與納米材料復合物的傳感陣列的設計及模式識別應用[13,18]Fig. 1 Designing sensor arrays based on porphyrin/nanomaterial conjugates and their application in pattern recognition[13,18]

作為一種重要的熒光納米材料，碳點(carbon dots, CDs)具有合成路線簡便、細胞毒性低、光學性能優異、便于表面功能化等一系列優良特性，在生物傳感[14]、生物成像[15]、光催化[16]以及藥物傳遞[17]等方面應用廣泛。將CDs 與有機組分形成的無機/有機雜化超粒子(supraparticles, SPs)，可以有效地整合有機和無機成分的優勢。如圖1(b)所示，我們構建了基于碳點/卟啉[5,10,15,20-四(4-羧基苯基)卟啉]超粒子(CD/TCPP SPs)的新型熒光傳感平臺，以識別多種重金屬離子和硫醇[18]。以聚乙烯亞胺和葉酸分別作為鈍化劑和碳源，采用一步水熱碳化法制備了帶正電荷的CDs。TCPP 具有4 個羧基，在一定的堿性環境下能與帶正電荷的CDs 配位，形成由靜電相互作用和π-π 疊加相互作用增加的CDs/TCPP SPs。CDs/TCPP SPs 實現了碳點和卟啉分子熒光性質的整合，創新性地僅采用一種碳點/卟啉超分子，將其2 個熒光峰強度分別作為識別元件構筑傳感陣列。我們選取了Hg2+、Cu2+、Co2+等11 種金屬離子作為分析物，由于金屬離子與SPs 之間配位相互作用不同，11 種金屬離子表現出不同的熒光響應，可以通過主成分分析進一步識別。此外，硫醇與Cu2+有很強的結合傾向，從而易于捕獲Cu2+來復原受Cu2+影響的CDs/TCPP的熒光，進一步證明了CDs/TCPP-Cu2+可以用于包括半胱氨酸對映體的手性識別在內的7 種硫醇的模式識別。

我們在傳感陣列的設計、識別機理以及檢測對象等方面進行了大量的工作，以卟啉分子和納米材料復合物構建傳感陣列，成功識別了與臨床有關的磷酸化合物、金屬離子以及生物硫醇等物質[13,18]，期望在醫療早期診斷等實際應用中發揮作用。我們的工作避免了復雜的多傳感探針合成，為有機/無機雜化結構在生物傳感中的光學性能調控提供了1 種新的策略，期望能拓寬其在生物傳感領域的應用。