核酸功能化稀土基纳米材料在生物检测中的应用
发布时间：2021-12-22 12:57
体内一些生物分子和离子的水平通常与细胞、组织、器官等结构和功能的变化相关,从而直接影响到疾病的预防、诊断和治疗,因此对体内这些物质的生物检测在医疗和健康领域具有重要的意义.基于稀土基纳米材料构建的纳米荧光探针具有灵敏度高、简单高效、抗干扰能力强等优点,在生物检测方面具有巨大的潜力.对稀土基纳米材料的核酸功能化能够进一步为纳米荧光探针提供更好的特异性识别能力和生物相容性,从而增强其在复杂样品中的生物检测能力.本综述总结了核酸功能化的稀土基纳米材料作为纳米荧光探针在生物检测领域的研究进展,简要介绍了其主要种类和性能、检测机理及检测物质,最后对该领域面临的挑战及未来的发展方向进行了展望.
【文章来源】：化学学报. 2020,78(11)北大核心SCICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
典型的上转换发光机理图:(a)激发态吸收(ESA);(b)能量传递上转换;(c)光子雪崩[25].
稀土基MOFs是一种新型多孔材料,由稀土离子/簇和多齿有机连接基通过配位作用组装而成.MOFs通常具有可调节的结构与功能,较大的比表面积和高度有序的多孔结构,这些特点使其广泛应用于气体吸附与分离、催化、传感、药物递送和质子传导等领域[32].由于稀土离子通常通过能量/电子转移过程被周围的配体激发,稀土基MOFs中的有机配体在吸收激发光的能量后,通过非辐射过程把能量转移到稀土离子,从而可以产生发光现象.因此,以稀土离子为金属节点的MOFs在光学传感领域的应用也逐渐成为了研究的热点[14,33].由于结构和功能的可调性,通过对稀土基MOFs中的稀土离子和有机配体的调节设计的稀土基MOFs具有良好的发光特性[34].2007年,Rieter和同事[35]首次证明了稀土基MOFs可以用于二吡啶酸的检测,表明了稀土基MOFs在构建纳米荧光探针并应用于生物检测领域的潜力.此外,作为纳米荧光探针发光基团的稀土基MOFs还具备增强纳米荧光探针发光强度、降低检测限的特点.该特点主要来源于以下两个原因:其一,由于稀土离子嵌入MOFs高度有序的有机配体框架中避免了由于聚集引起的自猝灭,从而使稀土基MOFs的发光增强[36].其二,稀土基MOFs的高比表面积能够实现核酸适配体的高负载,从而显著增加与靶标物结合的有效活性位点的数量,促进核酸适配体与靶标物结合的效率,达到降低纳米荧光探针的检测限的效果,使纳米荧光探针的传感性能得到提升[14].总之,基于稀土基MOFs设计的纳米荧光探针在生物检测领域具有巨大潜力,并在提升纳米荧光探针性能方面有着独特的优势.3 核酸功能化稀土基纳米材料设计纳米荧光探针的策略
在这种模式的策略下,核酸适配体两端通常连接荧光供体和受体,并且两者的相对位置可以决定荧光共振能量转移(FRET)效率,从而改变稀土基纳米材料的发光效果.基于此,鞠熀先课题组[39]通过对核酸适配体两端连接的荧光供体稀土基PLNPs和受体分子异硫氰酸荧光素(FITC)距离的控制,成功实现了稀土基PLNPs和FITC之间时间分辨荧光共振能量转移(TR-FRET)效率的转变.该设计原理基于FITC的荧光寿命比延迟时间(脉冲激发光到信号采集之间的一段时间)短从而荧光得到了有效抑制的原理,利用核酸适配体对靶标物特异性结合后,其结构发生了转换从而拉近了稀土基PLNPs与FITC的距离,使得稀土基PLNPs最大发射波长和FITC最大激发波长的重叠并导致TR-FRET效率增强(图3).他们进一步将FITC标记的核酸适配体对稀土基PLNPs进行功能化构建了纳米荧光探针,成功实现了血小板源生长因子的生物检测.此外,靶标物与核酸适配体特异性结合产生的稳定三维构象也会导致核酸适配体性能的变化.张志琪研究团队[40]首次证明了ATP与核酸适配体形成的G-四链体比核酸适配体单链对金纳米粒子(Au NPs)的稳定性更强,能够防止Au NPs在高盐浓度下的聚集.在此基础上,尤进茂团队[12]以Au NPs作为Tb掺杂的MOFs (Tb-MOFs)的猝灭剂,进一步利用了团聚和分散情况下的Au NPs对Tb-MOFs的荧光猝灭效果的差距设计了用于检测ATP的纳米荧光探针.在未出现靶标物ATP的情况下,自动聚集的Au NPs几乎不能猝灭Tb-MOFs的荧光.而ATP出现后,其与核酸适配体结合形成的G-四链体为Au NPs提供了良好的胶体稳定效果,分散的Au NPs对Tb-MOFs荧光的猝灭使得荧光信号减弱,从而实现了ATP的高效检测.
【参考文献】：
期刊论文
[1]具有AIE效应的Eu（Ⅲ）-聚（N-乙烯基吡咯烷酮）配位聚合物Pdots的制备及双色肿瘤细胞成像[J]. 关晓琳,李志飞,王林,刘美娜,王凯龙,杨学琴,李亚丽,胡丽丽,赵小龙,来守军,雷自强. 化学学报. 2019(12)
[2]稀土纳米晶用于近红外区活体成像和传感研究进展[J]. 熊麟,凡勇,张凡. 化学学报. 2019(12)
[3]Recent advances in autofluorescence-free biosensing and bioimaging based on persistent luminescence nanoparticles[J]. Qiaosong Lin,Zhihao Li,Quan Yuan. Chinese Chemical Letters. 2019(09)
本文编号：3546421
【文章来源】：化学学报. 2020,78(11)北大核心SCICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
典型的上转换发光机理图:(a)激发态吸收(ESA);(b)能量传递上转换;(c)光子雪崩[25].
稀土基MOFs是一种新型多孔材料,由稀土离子/簇和多齿有机连接基通过配位作用组装而成.MOFs通常具有可调节的结构与功能,较大的比表面积和高度有序的多孔结构,这些特点使其广泛应用于气体吸附与分离、催化、传感、药物递送和质子传导等领域[32].由于稀土离子通常通过能量/电子转移过程被周围的配体激发,稀土基MOFs中的有机配体在吸收激发光的能量后,通过非辐射过程把能量转移到稀土离子,从而可以产生发光现象.因此,以稀土离子为金属节点的MOFs在光学传感领域的应用也逐渐成为了研究的热点[14,33].由于结构和功能的可调性,通过对稀土基MOFs中的稀土离子和有机配体的调节设计的稀土基MOFs具有良好的发光特性[34].2007年,Rieter和同事[35]首次证明了稀土基MOFs可以用于二吡啶酸的检测,表明了稀土基MOFs在构建纳米荧光探针并应用于生物检测领域的潜力.此外,作为纳米荧光探针发光基团的稀土基MOFs还具备增强纳米荧光探针发光强度、降低检测限的特点.该特点主要来源于以下两个原因:其一,由于稀土离子嵌入MOFs高度有序的有机配体框架中避免了由于聚集引起的自猝灭,从而使稀土基MOFs的发光增强[36].其二,稀土基MOFs的高比表面积能够实现核酸适配体的高负载,从而显著增加与靶标物结合的有效活性位点的数量,促进核酸适配体与靶标物结合的效率,达到降低纳米荧光探针的检测限的效果,使纳米荧光探针的传感性能得到提升[14].总之,基于稀土基MOFs设计的纳米荧光探针在生物检测领域具有巨大潜力,并在提升纳米荧光探针性能方面有着独特的优势.3 核酸功能化稀土基纳米材料设计纳米荧光探针的策略
在这种模式的策略下,核酸适配体两端通常连接荧光供体和受体,并且两者的相对位置可以决定荧光共振能量转移(FRET)效率,从而改变稀土基纳米材料的发光效果.基于此,鞠熀先课题组[39]通过对核酸适配体两端连接的荧光供体稀土基PLNPs和受体分子异硫氰酸荧光素(FITC)距离的控制,成功实现了稀土基PLNPs和FITC之间时间分辨荧光共振能量转移(TR-FRET)效率的转变.该设计原理基于FITC的荧光寿命比延迟时间(脉冲激发光到信号采集之间的一段时间)短从而荧光得到了有效抑制的原理,利用核酸适配体对靶标物特异性结合后,其结构发生了转换从而拉近了稀土基PLNPs与FITC的距离,使得稀土基PLNPs最大发射波长和FITC最大激发波长的重叠并导致TR-FRET效率增强(图3).他们进一步将FITC标记的核酸适配体对稀土基PLNPs进行功能化构建了纳米荧光探针,成功实现了血小板源生长因子的生物检测.此外,靶标物与核酸适配体特异性结合产生的稳定三维构象也会导致核酸适配体性能的变化.张志琪研究团队[40]首次证明了ATP与核酸适配体形成的G-四链体比核酸适配体单链对金纳米粒子(Au NPs)的稳定性更强,能够防止Au NPs在高盐浓度下的聚集.在此基础上,尤进茂团队[12]以Au NPs作为Tb掺杂的MOFs (Tb-MOFs)的猝灭剂,进一步利用了团聚和分散情况下的Au NPs对Tb-MOFs的荧光猝灭效果的差距设计了用于检测ATP的纳米荧光探针.在未出现靶标物ATP的情况下,自动聚集的Au NPs几乎不能猝灭Tb-MOFs的荧光.而ATP出现后,其与核酸适配体结合形成的G-四链体为Au NPs提供了良好的胶体稳定效果,分散的Au NPs对Tb-MOFs荧光的猝灭使得荧光信号减弱,从而实现了ATP的高效检测.
【参考文献】：
期刊论文
[1]具有AIE效应的Eu（Ⅲ）-聚（N-乙烯基吡咯烷酮）配位聚合物Pdots的制备及双色肿瘤细胞成像[J]. 关晓琳,李志飞,王林,刘美娜,王凯龙,杨学琴,李亚丽,胡丽丽,赵小龙,来守军,雷自强. 化学学报. 2019(12)
[2]稀土纳米晶用于近红外区活体成像和传感研究进展[J]. 熊麟,凡勇,张凡. 化学学报. 2019(12)
[3]Recent advances in autofluorescence-free biosensing and bioimaging based on persistent luminescence nanoparticles[J]. Qiaosong Lin,Zhihao Li,Quan Yuan. Chinese Chemical Letters. 2019(09)
本文编号：3546421
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