Хемосенсоры на основе механизма резонансного переноса энергии - Свойства нейтральной формы гибридного соединения

Полупроводниковые квантовые точки могут передавать энергию одному или нескольким подходящим акцепторам [ Clapp A., Medintz I. and Mattoussi H. // ChemPhysChem., 2006, 7, 47.]. Для этого донор и акцептор должны находиться достаточно близко друг к другу и спектр люминесценции первого перекрываться со спектром поглощения второго. Ферстер показал, что константа скорости резонансного переноса энергии обратно пропорциональна шестой степени расстояния между донором и акцептором и выражается следующим уравнением [ Fцrster T. // Ann. Phys., 1948, 2, 55., Под ред. Н. М. Эммануэля и М. Г. Кузьмина // Экспериментальные методы химической кинетики // М.: Издательство Московского университета, 1985, с.135-136. ]:

Где н - волновое число, еA - молярный коэффициент экстинкции акцептора (А), FD - спектр испускания донора (D) в шкале волновых чисел, нормированный на единицу (т. е. ), цD - квантовый выход люминесценции донора, фD - время затухания люминесценции, n - показатель преломления растворителя, R - расстояние между D и A в нанометрах.

Эффективность переноса энергии характеризуется радиусом Ферстера - критическим расстоянием между донором и акцептором, на котором вероятность переноса энергии равна вероятности спонтанной дезактивации:

Эффективность (вероятность) ферстеровского резонансного переноса энергии (FRET) позволяет определить действительное расстояние между донором и акцептором исходя из следующего выражения [22]:

Легко видеть, что при R = R0 вероятность переноса энергии равна 50 %.

В Таблице 3 представлены ферстеровские радиусы типичных донорно-акцепторных пар, состоящих из органических красителей [ Haugland, R. P. // The Handbook: A Guide to Fluorescent Probes and Labeling Technologies // Molecular Probes: Eugene, 2005.] и квантовых точек [ Clapp, A. R.; Medintz, I. L.; Mauro, J. M.; Fisher, B. R.; Bawendi, M. G. and Mattoussi, H. // J. Am. Chem. Soc., 2004, 126, 301. , Clapp, A. R.; Medintz, I. L.; Fisher, B. R.; Anderson, G. P. and Mattoussi, H. // J. Am. Chem. Soc., 2005, 127, 1242.]. Изменение расстояния между донором и акцептором или перекрывания их спектров люминесценции и поглощения при воздействии определенных факторов позволяет управлять люминесценцией всей системы. Таким образом, становится возможным создание различных высокочувствительных сенсоров, выходным сигналом которых является люминесценция объекта.

Таблица 3. Ферстеровские радиусы донорно-акцепторных пар [28-30].

Донор

Акцептор

R0 , нм

Флуоресцеин

Тетраметилродамин

5.5

IAEDANS

Флуоресцеин

4.6

EDANS

Dabcyl

3.3

Флуоресцеин

Флуоресцеин

4.4

BODIPY FL

BODIPY FL

5.7

Флуоресцеин

QSY 7

6.1

Флуоресцеин

QSY 9

6.1

CdSe/ZnS

Cy3

4.7

CdSe/ZnS

AF 488

6.6

CdSe/ZnS

AF 594

6.1

CdSe/ZnS

AF 680

8.4

С помощью подобных систем возможно изучение гибридизации олигонуклеотидных цепей [ Nikiforov T. and Beechem J. // Anal. Biochem., 2006, 357, 68.]. Для этого, например, олигонуклеотидная цепь с тиольной группой на 5'-конце закрепляется на поверхности квантовой точки CdSe-ZnS (Рис. 9). В присутствии комплементарной цепи, меченой красителем Texas Red (6, рис. 9) на 3'-конце происходит гибридизация с образованием соответствующей двухцепочечной ДНК. В результате КТ и органический краситель оказываются в непосредственной близости друг от друга. Хромофор 6 поглощает свет в той же области спектра, в которой излучает наночастица, благодаря чему при возбуждении КТ происходит перенос энергии с нее на краситель, что приводит к падению интенсивности люминесценции квантовой точки в 2.5 раза (длина волны возбуждения точки - 580 нм, что соответствует максимуму ее поглощения). Под воздействием ДНКазы I двойная нуклеотидная цепь расплетается и краситель 6 оказывается на большом расстоянии от КТ, в результате чего исходная люминесценция точки практически восстанавливается.

гибридизация олигонуклеотидов, связанных с кт cdse-zns и соответствующим акцептором, приводит к переносу энергии от квантовой точки к красителю и тушению люминесценции точки

Рис. 9. Гибридизация олигонуклеотидов, связанных с КТ CdSe-ZnS и соответствующим акцептором, приводит к переносу энергии от квантовой точки к красителю и тушению люминесценции точки.

Сенсоры, тушение люминесценции которых происходит по FRET-механизму, могут быть использованы и для обнаружения молекул меньшего размера. На рис. 10 представлен принципиальная схема работы подобного сенсора [ Gill R., Willner I., Shweky I. and Banin U. // J. Phys. Chem. B., 2005, 109, 23715.]. Квантовая точка CdSe-ZnS, покрыта инертным и фотоактивным лигандами. Инертным лигандом является дигидролипоевой кислота, фотоактивным - антитело, способное распознавать и связывать

2,4,6-тринитротолуол (ТНТ). Антитело закрепляется на КТ при помощи присоединенного олигогистидинового остатка, который взаимодействует с катионами цинка на поверхности точки.

взаимодействие тнт с антителом отдаляет акцептор 8 от кт, предотвращая перенос энергии и

Рис. 10 Взаимодействие ТНТ с антителом отдаляет акцептор 8 от КТ, предотвращая перенос энергии и "включая" люминесценцию точки.

Добавление соединения 7 приводит к ассоциации его 2,4,6-тринитрофенилльной части с системой антитело-наночастица. Значительная р-Система противоположного конца молекулы 7 поглощает свет в той же области, в которой КТ излучает. В результате происходит перенос энергии с возбужденной квантовой точки на нелюминесцирующий хромофор 7 и падение интенсивности люминесценции КТ в 2.5 раза. В то же время, ТНТ отделяет соединение 7 от антитела и закрепляется на нем вместо

2,4,6-тринитрофенильной части акцептора. Как следствие, перенос энергии подавляется, и люминесценция квантовой точки значительно усиливается в соответствии с увеличением концентрации ТНТ. Таким образом, данный механизм дает возможность количественно и качественно определять ТНТ.

Схожий процесс может быть использован для анализа ферментативной активности. Например, поверхность квантовой точки CdSe-ZnS модифицируется пептидом с родаминовым красителем на конце (8, рис. 11) [ Shi L., De Paoli V., Rosenzweig N. and Rosenzweig Z. // J. Am. Chem. Soc., 2006, 128, 10378.]. В результате возбуждение наночастицы сопровождается эффективным переносом энергии на органический краситель 8 и в спектре люминесценции системы присутствуют пики КТ (545 нм) и родаминового акцептора (590 нм).

коллагеназа расщепляет пептидный мостик между кт и родаминовым акцептором 9, подавляя перенос энергии и

Рис. 11. Коллагеназа расщепляет пептидный мостик между КТ и родаминовым акцептором 9, подавляя перенос энергии и "включая" люминесценцию точки.

При добавлении коллагеназы происходит ферментативное расщепление пептидного мостика между КТ и акцептором и, соответственно, увеличение расстояния между ними. При этом интенсивность люминесценции на длине волны 545 нм (КТ) возрастает, а на 590 нм (краситель) - падает. Таким образом, ферментативное расщепление пептидной связки может быть превращено в измеряемый люминесцентный сигнал.

Кроме того, квантовые точки могут выступать в качестве эффективных доноров для определения целевых веществ, таких как мальтоза, при помощи мальтоза-связывающего белка (maltose-binding protein, MBP) [ Medintz I., Clapp A., Mattoussi H., Goldman E. and Mauro B.// J. M. Nat. Mater, 2003, 2, 630.]. Возможно использование наночастиц CdSe-ZnS в качестве биосенсоров с двухступенчатым механизмом переноса энергии, что позволяет избежать неотъемлемых ограничений по расстоянию между донором и акцептором. В системе, представленной на рис. 12, MBP, связанный с цианиновым красителем Cy3, адсорбирован на поверхности КТ (QD 530, рис. 12) посредством гистидиновых групп, при этом происходит перенос энергии с КТ на Cy3.

.

Рис. 12. Перенос энергии на множественные акцепторы с донорной КТ, связанной с белком.

Известно, что - циклодекстрин (-CD, рис. 12) может помещаться в центральном субстрат-связывающем кармане MBP. Таким образом, соединенный с - циклодекстрином цианиновый краситель Cy3.5 присоединяется к ферменту, обеспечивая вторичный перенос энергии с Cy3 на Cy3.5. Возбуждение квантовой точки приводит к переносу энергии с КТ на Cy3.5 через MBP-Cy3, который значительно превосходит прямой перенос энергии КТ-Cy3.5. в результате, при возбуждении КТ наблюдается люминесценция Cy3.5 (594 нм). Мальтоза вытесняет - циклодекстрин из центрального субстрат-связывающего кармана MBP, что приводит к прекращению переноса энергии с Cy3 на Cy3.5. После добавления мальтозы при возбуждении КТ наблюдается люминесценция Cy3 (570 нм)

Похожие статьи




Хемосенсоры на основе механизма резонансного переноса энергии - Свойства нейтральной формы гибридного соединения

Предыдущая | Следующая