基于纳米孔器件的光响应分子的应用
发布时间：2020-12-09 10:30
探索生物大分子和小分子的构象以及它们在外界环境中的响应和作用规律对理解有机质的结构与性能的关系十分重要。纳米孔作为新兴的第三代单分子基因测序技术,可以实时监测待测物分子的构象变化过程,在单分子检测及核酸和蛋白测序方面展现了良好的应用前景。为了进一步提高检测的分辨率和精确度,可以采用光电联合检测方法,通过引入光响应分子以满足更高的检测需求。本文综述了目前纳米孔器件的研究进展以及代表性光响应分子在纳米孔检测系统中的设计与应用,主要介绍了偶氮苯及其衍生物、螺吡喃和二芳基乙烯三类光响应分子分别在生物孔和固态孔中的光响应性能。光调控是一种操作简捷有效的分子结构监控方式,其与纳米孔检测技术的结合在单分子识别方面的应用潜力对多功能纳米器件的设计与应用具有重要的指导意义。
【文章来源】：分析化学. 2020年11期 第1458-1466页 北大核心
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
偶氮苯及其衍生物分子的光致异构示意图
主客体体系是偶氮苯及其衍生物在光控纳米器件应用中的经典设计,可调控离子通道的开关[29～31],超分子自组装[32,33]以及改变生物大分子的构象[34]等,环糊精(CD)和葫芦脲(CB[n])可作为偶氮苯及其衍生物的主体分子[35,36]。生物系统中离子通道的开关状态受配体、pH值及电位等因素的影响,对于体外实验,单分子级别的人为调控对实验条件要求较高,而在纳米孔中引入光响应分子有望实现这一目标,并且在纳米阵列中亦有很大的应用潜力。固态纳米孔结构稳定,易于进行表面功能化, 以优化性能[37]。 Xie等[38]通过在聚酰亚胺(PI)纳米孔表面修饰偶氮苯调控纳米孔的开关状态(图2),利用偶氮苯与β-环糊精(β-CD)的主客体反应,改变纳米孔表面的亲疏水性,从而使纳米孔在非导电和导电状态之间切换。该系统不仅具有光响应性,还具有电压调控性,当非导电纳米孔两侧的电压达到极限值(2.6 V)时,纳米孔切换为导电状态,该模型特有的光响应性和电压调控性有助于研究和操纵纳米约束环境下的水行为。此外,纳米孔器件的功能化常受到分子马达的启发,如在可见光作用下,细菌视紫红质质子泵系统将质子从细胞质转移到细胞外,完成跨膜运输(图3A)。Xie等[39]模拟该生物质子泵设计了一个仿生光驱动大通量运输系统(图3B),修饰有偶氮苯的PI纳米孔经光调控使表面亲疏水性发生变化,处于纳米孔限域空间的偶氮基团在可见光和紫外光的循环照射下,构象连续反转,将积累在通道中的分子排出,其疏水性只允许β-CD通过纳米孔,所展现的高选择性在药物传递中有潜在的应用价值。除了将偶氮苯修饰在纳米孔表面外,Liu等[40]在PI纳米孔内修饰了β-CD,制备了基于主客体系的光调控纳米流体二极管(图4),通过调节pH值实现高精度整流,具有不同表面性质和状态的纳米通道为光敏纳米流体器件和药物传输与释放提供了一个新的纳米流体平台。图3 (A) 细菌视紫红质的光驱动质子泵系统及视网膜分子的光异构化[38]; (B) 光调控纳米孔运输系统及偶氮苯与β-CD的主客反应[39]
Fragaceatoxin C(FraC)是一种来自Actinoporins蛋白的毒素,可在富含鞘磷脂受体的细胞表面自组装为α-螺旋纳米通道[48],内部收缩区仅为1.2 nm,但与α-HL和AeL纳米孔不同的是,在高电位下,FraC 纳米孔α-螺旋跨膜区的形变允许dsDNA易位[49]。FraC纳米孔可调节孔径,这使其可以识别溶液中单个肽的质量,并且对蛋白质进行实时测序,可用于生物样品的蛋白质组学表征[50,51]。光响应分子的引入可以指导FraC在脂质双层膜上的自组装,Mutter等[14]在FraC(azo-FraC)与鞘磷脂的结合位点附近的不同位置修饰了偶氮苯衍生物,以光作为外部触发因素,可逆地控制FraC在脂质双层膜上的聚集,在紫外光照射下, cis-azo指导FraC与鞘磷脂的结合,甚至可以取代鞘磷脂使FraC在细胞膜上形成纳米通道; 而在可见光照射下, FraC失活(图8),这种光激活FraC可作用于多种富含鞘磷脂的真核细胞,在光激活肿瘤治疗中具有应用潜力,可控制非活性毒素在照射肿瘤部位局部激活,用白光照射肿瘤周围的区域使其再次失活,并且光调控纳米孔自组装的能力也为降低纳米孔阵列制造的复杂性提供了参考。3 其它光响应分子的应用
【参考文献】：
期刊论文
[1]生物纳米孔道技术在非基因测序方面的研究与应用[J]. 杨洁,李爽,武雪原,龙亿涛. 分析化学. 2017(12)
[2]Single-molecule analysis in an electrochemical confined space[J]. Yi-Lun Ying,Yi-Tao Long. Science China(Chemistry). 2017(09)
本文编号：2906734
【文章来源】：分析化学. 2020年11期 第1458-1466页 北大核心
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
偶氮苯及其衍生物分子的光致异构示意图
主客体体系是偶氮苯及其衍生物在光控纳米器件应用中的经典设计,可调控离子通道的开关[29～31],超分子自组装[32,33]以及改变生物大分子的构象[34]等,环糊精(CD)和葫芦脲(CB[n])可作为偶氮苯及其衍生物的主体分子[35,36]。生物系统中离子通道的开关状态受配体、pH值及电位等因素的影响,对于体外实验,单分子级别的人为调控对实验条件要求较高,而在纳米孔中引入光响应分子有望实现这一目标,并且在纳米阵列中亦有很大的应用潜力。固态纳米孔结构稳定,易于进行表面功能化, 以优化性能[37]。 Xie等[38]通过在聚酰亚胺(PI)纳米孔表面修饰偶氮苯调控纳米孔的开关状态(图2),利用偶氮苯与β-环糊精(β-CD)的主客体反应,改变纳米孔表面的亲疏水性,从而使纳米孔在非导电和导电状态之间切换。该系统不仅具有光响应性,还具有电压调控性,当非导电纳米孔两侧的电压达到极限值(2.6 V)时,纳米孔切换为导电状态,该模型特有的光响应性和电压调控性有助于研究和操纵纳米约束环境下的水行为。此外,纳米孔器件的功能化常受到分子马达的启发,如在可见光作用下,细菌视紫红质质子泵系统将质子从细胞质转移到细胞外,完成跨膜运输(图3A)。Xie等[39]模拟该生物质子泵设计了一个仿生光驱动大通量运输系统(图3B),修饰有偶氮苯的PI纳米孔经光调控使表面亲疏水性发生变化,处于纳米孔限域空间的偶氮基团在可见光和紫外光的循环照射下,构象连续反转,将积累在通道中的分子排出,其疏水性只允许β-CD通过纳米孔,所展现的高选择性在药物传递中有潜在的应用价值。除了将偶氮苯修饰在纳米孔表面外,Liu等[40]在PI纳米孔内修饰了β-CD,制备了基于主客体系的光调控纳米流体二极管(图4),通过调节pH值实现高精度整流,具有不同表面性质和状态的纳米通道为光敏纳米流体器件和药物传输与释放提供了一个新的纳米流体平台。图3 (A) 细菌视紫红质的光驱动质子泵系统及视网膜分子的光异构化[38]; (B) 光调控纳米孔运输系统及偶氮苯与β-CD的主客反应[39]
Fragaceatoxin C(FraC)是一种来自Actinoporins蛋白的毒素,可在富含鞘磷脂受体的细胞表面自组装为α-螺旋纳米通道[48],内部收缩区仅为1.2 nm,但与α-HL和AeL纳米孔不同的是,在高电位下,FraC 纳米孔α-螺旋跨膜区的形变允许dsDNA易位[49]。FraC纳米孔可调节孔径,这使其可以识别溶液中单个肽的质量,并且对蛋白质进行实时测序,可用于生物样品的蛋白质组学表征[50,51]。光响应分子的引入可以指导FraC在脂质双层膜上的自组装,Mutter等[14]在FraC(azo-FraC)与鞘磷脂的结合位点附近的不同位置修饰了偶氮苯衍生物,以光作为外部触发因素,可逆地控制FraC在脂质双层膜上的聚集,在紫外光照射下, cis-azo指导FraC与鞘磷脂的结合,甚至可以取代鞘磷脂使FraC在细胞膜上形成纳米通道; 而在可见光照射下, FraC失活(图8),这种光激活FraC可作用于多种富含鞘磷脂的真核细胞,在光激活肿瘤治疗中具有应用潜力,可控制非活性毒素在照射肿瘤部位局部激活,用白光照射肿瘤周围的区域使其再次失活,并且光调控纳米孔自组装的能力也为降低纳米孔阵列制造的复杂性提供了参考。3 其它光响应分子的应用
【参考文献】：
期刊论文
[1]生物纳米孔道技术在非基因测序方面的研究与应用[J]. 杨洁,李爽,武雪原,龙亿涛. 分析化学. 2017(12)
[2]Single-molecule analysis in an electrochemical confined space[J]. Yi-Lun Ying,Yi-Tao Long. Science China(Chemistry). 2017(09)
本文编号：2906734
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