Хемосенсоры на основе полупроводниковых квантовых точек, Хемосенсоры на основе механизма фотоиндуцированного переноса электрона - Свойства нейтральной формы гибридного соединения

Гибридные системы на основе квантовых точек (КТ) и органических лигандов могут быть использованы в качестве хемо-, био - и фотосенсоров, а также молекулярных логических устройств (МЛУ) в случае наличия двух устойчивых состояний системы, обладающих различными спектрально-люминесцентными свойствами. Для этого в одном состоянии лиганд должен быть инертным, позволяя люминесцировать КТ, а в другом - тушителем люминесценции. Существует два вида механизма тушения люминесценции - фотоиндуцированный перенос электрона (PET) и ферстеровский резонансный перенос энергии (FRET).

Рассмотрим подробнее хемосенсоры, работающие на основе этих механизмов тушения люминесценции.

Хемосенсоры на основе механизма фотоиндуцированного переноса электрона

Полупроводниковые КТ могут быть окислены или восстановлены при относительно небольших потенциалах, которые незначительно зависят от размеров частиц [ Wang, C. J.; Shim, M. and Guyot-Sionnest // P. Science, 2001, 291, 2390., Kucur, E.; Riegler, J., Urban, G. A. and Nann, T. // J. Chem. Phys., 2003, 119, 2333.]. В таблице 2 приведена зависимость окислительных (Eox) и восстановительных (Ered) потенциалов квантовых точек CdS от их диаметров (d) [15].

Таблица 2. Окислительно-восстановительные потенциалы КТ CdS относительно пары ферроцен/ферроцений

D, нм

Ered, В

Eox, В

3.0

-1.29

+0.94

4.3

-1.27

+0.80

6.5

-1.16

+0.79

Кроме того, при возбуждении КТ могут обмениваться электронами с дополнительными донорами или акцепторами [ Querner, C.; Reiss, P.; Sadki, S.; Zagorska, M. and Pron, A. // Phys. Chem. Chem. Phys., 2005, 7, 3204.]. Такие процессы эффективно тушат люминесценцию частиц и, следовательно, могут быть использованы для управления их излучением. В частности, возможно создание молекулярных сенсоров для активации или подавления фотоиндуцированного переноса электрона в определенных условиях и, соответственно, "выключения" или "включения" люминесценции системы. В этих условиях супрамолекулярная ассоциация целевого анализируемого вещества приводит к существенному изменению интенсивности люминесценции [ Burda C., Chen X., Narayana R. and El-Sayed M. A. // Chem. Rev., 2005, 105, 1025.- Tomasulo M., Yildiz I., Raymo F. // J. Phys. Chem. B., 2006, 110, 3853.].

Например, мальтоза-связывающий белок (maltose-binding protein, MBP), вырабатываемый бактериями E. Coli, может быть использован для управления люминесценцией связанной с ним квантовой точки по механизму фотоиндуцированного переноса электрона [ Yildiz, I.; Tomasulo, M. and Raymo, F. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA., 2006, 103, 11457.]. Для этого при помощи металлотионеина (MT) получается гибридный белок MBP-MT, который затем связывается с рутениевым донором (рис. 3).

рутениевый донор

Рис. 3 Рутениевый донор

Полученный модифицированный белок закрепляется на квантовой точки CdS после обмена с частью инертного лиганда оболочки КТ (6-меркаптогексадеканоата) при помощи тиольной группы металлотионеина. В результате, рутениевый донор оказывается достаточно близко к поверхности частицы для эффективного переноса электрона на нее рис. 4, из-за чего квантовый выход люминесценции точки падает приблизительно в 5 раз.

присоединение мальтозы к mbp отдаляет рутениевый донор от кт, предотвращая перенос электрона и обеспечивая

Рис. 4 Присоединение мальтозы к MBP отдаляет рутениевый донор от КТ, предотвращая перенос электрона и обеспечивая "включение" люминесценции системы

При связывании мальтозы белок значительно изменяет свою конформацию, отдаляя рутениевый донор от поверхности КТ. Благодаря этому эффективность переноса электрона падает, обеспечивая увеличение квантового выхода люминесценции квантовой точки в 1.4 раза. Таким образом, присутствие мальтозы приводит к существенному росту интенсивности люминесценции точки, хотя и не полностью восстанавливает исходное значение для свободной частицы.

Таким образом, один путь контроля люминесценции состоит в изменении расстояния от КТ до донора, и, следовательно, "включении" люминесценции в присутствии анализируемого вещества. Альтернативный способ схематически изображен на рис. 5.

тушение люминесценции кт после присоединения аналита к рецептору

Рис. 5 Тушение люминесценции КТ после присоединения аналита к рецептору.

Присоединение анализируемого вещества (аналита) к рецептору на поверхности КТ CdSe-ZnS может приводить к переносу электрона с частицы на комплекс рецептор-аналит и, как следствие, тушению люминесценции точки. Данный путь реализован в гибридной системе, состоящей из квантовой точки типа ядро/оболочка CdSe/ZnS, поверхность которой модифицирована 1-(2-меркаптоэтил)-3-фенил-тиомочевиной, выступающей в качестве рецептора (Рис. 6) [ Sandros M. G., Gao D. and Benson D. // J. Am. Chem. Soc., 2005, 127, 12198.].

рецептор 1-(2-меркаптоэтил)-3-фенил-тиомочевина

Рис. 6 Рецептор 1-(2-меркаптоэтил)-3-фенил-тиомочевина.

Система была опробована на фториде, хлориде, бромиде, гидросульфате и ацетате тетрабутиламмония. Введение ионов фтора, хлора и ацетата приводила к падению интенсивности люминесценции на 90 %, в то время как бромид - и гидросульфат-ионы не оказывали никакого влияния на люминесценцию КТ. В этом случае тушение происходило за счет увеличения восстановительного потенциала рецептора (Рис. 6) при присоединении аниона и, как следствие, увеличения эффективности переноса электрона от возбужденной частицы CdSe/ZnS к рецептору. Селективность и чувствительность данной системы сопоставима с аналогичными сенсорами на основе органических красителей, состоящих из схожих рецепторов и антрацена в качестве люминофора [ Callan J. F., Mulrooney R. C., Kamila S. and McCaughan B. //

J. Fluoresc. 2007, Online.]. Таким образом, подобный "модульный" подход дает возможность адаптировать рецепторы, использующиеся в сенсорах на основе органических красителей, к квантовым точкам и успешно использовать полученные системы [ I. Yildiz // Open Access Dissertations, 2008, Paper 103, http://scholarlyrepository. miami. edu/oa_dissertations/103 ].

Механизм переноса электрона также может быть применен для отслеживания активности ферментов. Так, например, на основе связанных с тирозином квантовых точек CdSe-ZnS были разработаны тесты для определения активности тирозиназы (Рис. 7) [ Gunnlaugsson T., Davis A., Hussey G., Tierney J., Glynn M. // Org. Biomol. Chem., 2004, 2,1856.].

ферментативная активность тирозиназы, окисляющей тирозин до о-хинона на поверхности кт cdse-zns, и последующее тушение люминесценции кт о-хинолином

Рис. 7 Ферментативная активность тирозиназы, окисляющей тирозин до о-хинона на поверхности КТ CdSe-ZnS, и последующее тушение люминесценции КТ о-хинолином. Люминесценция КТ может быть восстановлена отщеплением о-хинона в результате воздействия тромбина.

Тирозиназа катализирует окисление тирозина (3, рис. 8) до 3-гидрокси-L-тирозина (L-DOPA, 4, рис. 8), который затем окисляется до соответствующего о-хинона (5, рис. 8). о-Хинон обеспечивает тушение люминесценции КТ и, следовательно, спектрофотометрическое обнаружение тирозина. При увеличении концентрации тирозиназы возрастает эффективность тушения излучения КТ, вплоть до 45% от первоначальной интенсивности. Предел обнаружения данного фермента таким способом составляет 0.2 мМ.

ферментативное превращение тирозина в о-хинон

Рис. 8. Ферментативное превращение тирозина в о-хинон.

Закрепление тирозиназы вблизи поверхности КТ осуществляется стандартным для подобных биосенсоров путем - при помощи белка-связки (рис. 7). Белок содержит определенную последовательность аминокислот, которая может быть расщеплена ферментом тромбином, в результате чего тушитель отдаляется от КТ и восстанавливается интенсивность ее люминесценции. В дальнейшем возможно присоединение к белковому остатку, закрепленному на КТ, отщепленной части белка с тирозином и повторное использование системы в качестве высокочувствительного биосенсора [ Gill R., Freeman R., Xu J., Willner I., Winograd S., Shweky I. and Banin U. // Am. Chem. Soc., 2006, 128, 15376.].

Таким образом, фотоиндуцированный перенос электрона может быть использован для создания высокочувствительных сенсоров на основе систем КТ-лиганд, в том числе и для изучения ферментативной активности. Не менее успешно для этих целей могут быть применены системы, в которых тушение люминесценции происходит по другому механизму - резонансного переноса энергии

Похожие статьи




Хемосенсоры на основе полупроводниковых квантовых точек, Хемосенсоры на основе механизма фотоиндуцированного переноса электрона - Свойства нейтральной формы гибридного соединения

Предыдущая | Следующая