多巴胺熒光傳感器的研究進展

崔榮偉,韓文婧,韓藝,劉芳,李雪貞,鄒芳,趙佃英

(濰坊職業學院 化學工程學院,山東 濰坊 262737)

多巴胺(DA)是重要的內源性生化分子,在中樞和外周神經系統以及心血管系統中起神經遞質和化學信使的作用。在神經和體液的生理條件下,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。人體缺乏DA會導致抑郁、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對我們的身體也是有害的。DA分泌過多會導致心率加快、高血壓、妄想、幻覺和心力衰竭。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),使其檢測復雜化。因此,探索快速、簡單、準確、靈敏度高、特異性強的DA檢測方法對于這些疾病的關鍵診斷起著重要作用[1-2]。

圖1 (A)多巴胺及其類似物的結構和(B)生物樣品中一些干擾物的結構

迄今,研究人員已經開發出不同的方法來檢測DA,包括高效液相色譜法(HPLC)、電化學法、質譜法、化學發光、毛細管電泳等[3-6]。然而,這些技術大多耗時、前處理復雜、儀器昂貴、操作專業,限制了其在DA常規檢測中的應用。與傳統的DA檢測方法相比,熒光傳感技術因具有儀器簡單、操作迅速,較高的選擇性和靈敏度等優勢,已廣泛應用于DA的分析檢測[7-8]。

分子識別與信號輸出之間的作用機制對熒光傳感系統的設計至關重要。熒光傳感系統與DA相互作用引起的熒光強度變化通常作為DA檢測的依據,大量基于常規機制的DA傳感器已經被開發出來。其中,基于光物理過程的傳感機制最常用于構建DA的熒光傳感系統,相關機理包括F?rster共振能量轉移(FRET)、內濾效應(IFE)、光致電子轉移(PET)、靜態猝滅和動態猝滅。結合近年來有關DA熒光傳感器的報道,綜述了基于稀土離子、碳量子點、金屬納米團簇、核酸適配體等類型的傳感器在DA檢測的方面研究進展,并解釋了相關機制。

1 稀土離子

稀土發光離子具有發射帶窄、熒光壽命長、斯托克斯位移大等優點,常用于熒光探針的構建。稀土發光離子由于存在f→f電子禁躍遷,發光效率較低。許多方法如選擇適宜的配體、表面活性劑,金屬表面增強熒光效應(MEF)等可以用于增強稀土離子發光。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用于分析檢測[9-10]。

Li等采用金納米花(AuNFs)增強Tb3+熒光的策略來進行DA的高靈敏度檢測。實驗中,所制備的AuNFs具有豐富的邊緣和鋒利的多棱角形態,是很好的MEF效應底物。DA既可作為Tb3+的配體,又是調節AuNFs與Tb3+之間的距離的橋梁試劑。通過DA敏化發光與AuNFs引起的MEF的協同作用,Tb3+的特征熒光顯著增強。在最佳實驗條件下,DA檢測線性范圍為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注射液樣品進行了實際應用驗證[11]。

Sun J等開發了一種明膠包覆銀納米顆粒(AgNPs@gel)-Tb3+熒光傳感器。明膠不僅調節了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Tb3+配合物的共配體,起到了很好地提高Tb3+發光效率的作用。當DA濃度為0.80～100 nmol/L和100～1 000 nmol/L時,體系在544 nm處的熒光發射強度與DA濃度呈線性關系,檢出限為0.54 nmol/L。此外,該方法顯示出對其他神經遞質良好的選擇性[12]。

2 碳量子點

碳量子點(CQDs)是一種碳基零維材料,具有發射帶窄、熒光強度高、量子產率高、抗光漂白穩定性好等優良光學特性,被廣泛用作熒光傳感材料。CQDs的適當功能化通過快速PET到目標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,通過水熱法制備了可用于DA檢測的花生仁碳量子點(PN-CQDs)。在激發波長為326 nm時,該PN-CQDs在408 nm處發射出最強藍色熒光。加入Ce(Ⅳ)后,Ce(Ⅳ)與該PN-CQDs發生PET,并且Ce(Ⅳ)與PN-CQDs表面基團結合使PN-CQDs發生聚集,兩種作用共同導致PN-CQDs在408 nm處的熒光發生動態猝滅。DA加入后,結合于PN-CQDs表面強氧化性的Ce(Ⅳ)可與DA發生反應,從而使Ce(Ⅳ)從PN-CQDs表面移除,該PN-CQDs的熒光得以恢復。此方法DA檢測的線性范圍為0.25～10 μmol/L,檢出限為90 nmol/L。

王騰飛[15]等構建了“開-關-開”型熒光體系用于DA檢測。實驗中采用常見糧食合成了CQDs,該CQDs與帶正電的鐵離子發生靜電結合而產生PET,使得CQDs的熒光猝滅;加入DA后,DA結合鐵離子,CQDs熒光得以恢復。CQDs在440 nm的發射峰熒光恢復值與DA濃度在1～110 μmol/L范圍內呈良好線性關系,檢出限為0.3 μmol/L。該方法成功實現了牛奶中DA的快速、高靈敏度檢測。

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,此外,適配體可以用不同的熒光團進行功能化,對特定生物標志物表現出優異的FRET響應,在生物傳感領域具有廣闊應用前景[16]。利用納米材料較強的熒光猝滅性能,可設計基于熒光強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。熒光團標記的適配體吸附在納米材料上,導致適配體熒光猝滅。當DA存在時,DA與適配體結合,觀察到熒光增強。

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

姜利英[18]等制備了修飾有熒光基團(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能量轉移到其表面,熒光信號猝滅;隨著DA加入,熒光強度恢復。在最佳實驗條件下,熒光強度與DA濃度成線性比例,線性檢測范圍為1～500 μmol/L,檢測限為1 μmol/L。該傳感器具有檢測范圍寬、檢測速度快、特異性強以及成本低等優點,然而,該策略中熒光強度變化不明顯,DA分析檢測靈敏度不高。

Teniou等[19]制備了一種基于GO的熒光適體傳感器,用于快速測定DA。該適體傳感器中GO用作能量供體,羧基FAM標記的適配體作為受體。在沒有DA的情況下,羧基FAM-適配體通過核苷酸堿基與碳網絡之間的π π堆積相互作用吸附在GO表面,導致FRET較弱,羧基FAM標記的適配體熒光猝滅。加入DA后,適配體發生構象變化以高親和力與DA結合,熒光得以恢復。DA檢測的線性范圍為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,表現出輕微的反應,并且在人血清樣品中顯示出令人滿意的適用性。

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

4 金屬納米團簇

金屬納米團簇(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和優異的熒光發射性能,此外生物相容性好等優點使得MNCs成為引人注目的熒光納米材料[21]。MNCs發光的主要原因是配體-金屬間的FRET[22],因此通常可采用FRET,增加配體剛性等策略來制備具有較強熒光強度的MNCs。通過將供體分子雜交到MNCs表面,供體的發射光譜與受體的吸收光譜重疊,導致從供體到受體的FRET,提高了MNCs的發射強度。而通過引入電荷相反或結構龐大的雜化分子來可以實現配體剛性的增加,這可以阻止MNCs表面的分子內旋和振動,從而導致熒光增強。

翟紅等[23]將谷胱甘肽作穩定劑制備了熒光金簇(AuGSH),將其與間苯二酚相結合后,構建了新型DA比率熒光傳感。在強堿性條件下,DA與間苯二酚結合會在455 nm產生藍色熒光信號,而AuGSH在588 nm處的紅色熒光強度不受影響,比率熒光信號(F455 nm/F588 nm)在DA濃度為1～10 μmol/L和10～20 μmol/L范圍內均具有較好的線性關系,檢出限為0.23 μmol/L。此外,實驗還對常見的潛在干擾物進行了檢測,結果顯示潛在干擾物不影響DA的檢測,說明該方法具有良好的選擇性。

Aparna等[24]合成了兩種類型的藍光銅納米團簇(CuNC)用于DA檢測。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表現出快速的熒光猝滅反應,這種快速反應可以歸因于H2O2存在下BSA CuNC1的氧化,以及PET、IFE和聚集效應的共同作用。對于這兩個系統,在0.1 nmol/L到0.6 nmol/L的濃度范圍內對DA都有線性響應。BSA CuNC1的檢測限為0.163 7 pmol/L,BSA CuNC2為0.024 nmol/L。BSA CuNC1探針還有效地應用于人血清和尿液樣本中DA的靈敏檢測。此外,利用BSA CuNC1開發了一種方便直接的紙質試紙條,為快速簡便監測DA提供了新方法。

5 其他

除稀土、碳量子點、核酸適配體、金屬納米團簇等類型,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來作為DA熒光傳感器。光激發導致SiNPs與氧化后的多巴胺醌分子間發生FRET,SiNPs的熒光猝滅。該傳感器的檢測限為0.3 nmol/L,線性檢測范圍為0.005～10 μmol/L。該方法的檢測限令人滿意,傳感器制作簡單。

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定量檢測DA。合成的聚合物由熒光發射核及表面標記的苯基硼酸(PBA)組成。DA因硼酸對二元醇的特異性識別結合在PBA位點。該聚合物和DA之間產生光誘導PET過程,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到濃度低至38.8 nmol/L的DA,但該傳感器制備過程相對復雜。

Kruss等[27]開發了一種新型電暈相分子識別技術,利用熒光單壁碳納米管(SWCNTs)光學檢測DA的方法。該策略使用不同的聚合物包裹在SWCNTs上,產生聚合物-SWCNTs雜化物,從而實現DA等神經遞質分析物的電暈相分子識別。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58%～80%。在溶液中,檢測限為11 nmol/L。機制研究表明,這種熒光開啟響應反應是由于熒光量子產率的增加,該熒光傳感器的信號變化是可逆的。

6 結論與展望

DA是重要的兒茶酚胺類神經遞質之一,其濃度失衡會引發帕金森病、精神分裂癥和亨廷頓病等神經系統疾病的發病。因此,開發靈敏、選擇性檢測DA的方法已成為全世界的研究熱點。目前,許多熒光傳感器已證實具備突出的靈敏度、簡單、低成本等優勢。然而,盡管靈敏度較好,選擇性將是實際樣品分析的一個問題。

DA只有在人體內幾種生物分子以合作的方式存在時才能發揮作用,復雜的體內環境對DA熒光傳感器的親和性、特異性要求更高,開發的傳感器應該能夠檢測真實樣本中的DA,如人類尿液和血清,而不會產生任何假陽性結果。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現檢測人體樣本中的DA尤為重要。因此,需要特定的設計策略來更好地區分DA與其干擾物和類似物,并且傳感器達到的靈敏度和檢測限度應超過診斷和生理相關水平。總的來說,未來的DA傳感研究應該集中在基于體外和體內技術的DA和其他生物學相關靶點的敏感和選擇性多通路檢測上,以潛在地應用于生物醫學診斷,監測DA以及其他生物標志物。