荧光共轭聚合物在生物大分子检测中的应用
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Key words fluorescent conjugated polymers ; biosensors ; fluorescence quenching
Contents
1 Introduction 2 Application of conjugated polymers in detecting
2. Department of Materials Science and Engineering , Beijing Institute of Technology , Beijing 100081 , China)
Abstract Conjugated polymers exhibit excellent electronic and luminescent properties due to their special π2 electronic system and conjugated delocalized structure. The fluorescence intensity and emission wavelength of them vary obviously and selectively with different interactions between conjugated polymer and detected compounds. The fluorescence signals deriving from the interactions between conjugated polymer and detected compounds are often amplified because the effective electrons and energy transfer along the main2chain of conjugated polymers , which can respond high2 sensitively to analytes and exceed to that of small model compounds. The novel chemical and biological sensors based on conjugated polymers are developed. Many conjugated polymers , including poly(thiophene) s , poly ( fluorene2co2 phenylene) s , poly(phenylene ethynylene) s and poly(phenylene vinylene) s are used to detect biomacromolecules. In the present paper , the recent progress of conjugated polymers as biosensors is summarized , and the assay of protein , DNA and toxin using fluorescent conjugated polymers is discussed.
摘 要 共轭聚合物因其具有π电子体系及共轭离域结构 ,一般都具有优异的发光性能 ,其发光强度和 发射波长会随被检测化合物结构的不同而发生特异性响应 ,特别是在与被检测物相互作用过程中产生的电 荷和能量能够沿共轭分子链进行有效传递 ,成倍放大这种作用 ,从而有效提高了检测灵敏度 ,这比相应的小 分子化合物更具有优越性 。目前共轭聚合物已被用于开发新型化学 、生物传感器 ,尤其是在生物分子检测方 面的应用得到迅速发展 。本文总结了近年来荧光共轭聚合物在生物传感方面的研究进展 ,主要讨论共轭聚 合物在蛋白质 、核酸及毒素检测中的应用 。
关键词 荧光共轭聚合物 生物检测 荧光猝灭 中图分类号 : O657. 3 ; O629 ; O632. 1 ; TP212. 3 文献标识码 : A 文章编号 : 10052281X(2009) 0420739208
Application of Fluorescent Conjugated Polymers in Detecting Biomacromolecules
·740 ·
化 学 进 展
第 21 卷
1 引言
荧光检测是根据被检测物与荧光物质之间特定 的相互作用而引起的荧光强度的增加或降低 ,或者 荧光波长的变化来实现对被分析物的检测 ,具有高 灵敏性 ,已经被广泛地应用于化学与生物检测 。
作为荧光物质的一种 ,荧光共轭聚合物因其主 链的共轭离域性和刚性结构 ,被认为是一种宽禁带 半导体材料 ,具有很好的发光性能[1 —3] 。同时共轭 聚合物的结构特点也决定了其有效的电子和能量转 移通常具有很高的摩尔吸光系数与荧光量子效率 , 使其在荧光检测中具有明显的优势 。
Zhi J unge1 3 3 Xu Xiuling1 Shen Jinbo2 Zhao Wei2 Tong Bin2 Dong Yuping2 3 3 (1. Department of Chemistry , Beijing Institute of Technology , Beijing 100081 , China ;
图 1 共轭聚合物分子导线效应示意图 [4] Fig. 1 Schematic description of the molecular wire receptor assembly of conjugated polymers[4]
正是存在这种效应 ,使得共轭聚合物对被检测 物的响应灵敏度远高于小分子模型化合物 ,从而更 适于在化学 、生物检测方面的应用[3 ,4 ,10] 。如果将具 有分子识别性能的基团引入共轭聚合物中 ,可以构 筑成具有特殊基质的传感器或诱导共轭聚合物组装 成功能性材料[3 ,6 —10] 。目前 ,荧光共轭聚合物已经 被广泛用于各种物质的检测中[3 ,9 —30] ,包括金属离
图式 1 几种共轭聚电解质 Scheme. 1 Several kinds of conjugated polyele ctrolytes
2. 1 蛋白质的检测 目前 ,生物传感的一般方法基于 Whitten 课题
组[34] 报道的利用水溶性荧光共轭聚合物和连接在 生物素 (biotin) 配体上的猝灭基团之间相互作用而 产生的荧光信号的变化 ,其基本原理如图 2 所示 。
共轭 聚 合 物 在 荧 光 传 感 器 中 的 应 用 最 早 由 Swager 课题组提出 ,他们发现[4 , 5] 有些荧光共轭聚合 物通过共价键 、氢键或分子间静电作用等与某些化 合物结合时 ,会产生荧光猝灭 ;一个游离状态的荧光 分子被一个待测物分子所“猝灭”,此荧光强度的改 变只有在较高浓度时才能检测到 ;而把这些荧光分 子连接成一个大分子链时 ,如果其中一个链节的荧 光被“猝灭”,则可以通过沿整个分子链的快速能量 传递而引发其它链节的荧光也发生“猝灭”,这样就 在不改变功能基团与识别分子结合常数的情况下 , 成十倍甚至上百倍地放大响应信号 ,提高对待测物 的检测灵敏度 ,可以实现痕量 、超痕量被测物的检 测 ,这就是所谓“分子导线效应”[4] ,如图 1 所示 。
子[11 —15] 、阴离子[20 —24] 、有机小 分 子 化 合 物[16 —19] 、爆 炸物[25 —30] ,以及生物分子的检测[31 —55] 等 。
2 共轭聚合物在生物大分子检测中的应用
近年来 ,蛋白质及 DNA 的检测成为生物检测领 域研究的热点与焦点[10 ,31] 。最初用于化学传感的共 轭聚合物只能溶于有机溶剂 ,这极大地限制了其在 生物传感领域的应用 。美国 Los Alamos 国家实验室 的研究者将共轭高分子衍生化 ,在侧基上引入离子 基团 (如磺酸基 、羧基 、铵基等) ,使之成为水溶性高 分子 ,从而使共轭聚合物的这一独特优点被引入到 生物检测中[32 , 33] ,目前研究较多的共轭聚电解质有 聚噻吩类 ( PT) 、聚对苯撑乙烯类 ( PPV) 、聚对苯撑乙 炔类 ( PPE) 及聚苯撑芴类 ( PFP) 等 ,图式 1 给出几种 共轭聚电解质 。但近年的研究也发现 ,非离子共轭 聚合物也可用于生物检测[37 —39] 。
biomacromolecules
Biblioteka Baidu
2. 1 Detecting of protein 2. 2 Detecting of DNA 2. 3 Detecting of toxin 3 Conclusion
收稿 : 2008 年 5 月 , 收修改稿 : 2008 年 6 月 3 国家自然科学基金项目 (No. 20504005 , 20634020) 资助 3 3 通讯联系人 e2mail :zhijunge @bit. edu. cn ; chdongyp @bit. edu. cn
第4期
支俊格等 荧光共轭聚合物在生物大分子检测中的应用
·741 ·
他们采用的共轭聚合物是聚苯撑乙烯衍生物 Li + 2 MPS2PPV (1) ,探针分子是含有一个具有识别功能生 物活性基团 (生物素 B) 的 [ N2生物素基 ]2N′2(乙酰 基24 ,4′2吡啶基碘化吡啶盐) 乙二胺 (BPP+ ) ,其中吡 啶盐是电子受体 Q 。当 BPP+ 加入到 Li + 2MPS2PPV 的水溶液中时 ,微弱的静电作用使猝灭基团 Q 与聚 合物主链相互接触 ,Q 可以捕获电子给体 Li + 2MPS2 PPV 激发态的电子 ,从而发生荧光猝灭 。当加入目 标分析物抗生素蛋白 (avidin) 时 ,它能够识别生物素 B 并与之结合 ,使 BPP+ 与聚合物 Li + 2MPS2PPV 的相 互作用被解除 ,聚合物重新发射荧光 。这就是利用 共轭聚合物荧光的变化进行的简单 、高效检测生物 大分子的方法 ,据此 Whitten 课题组给出了如图 2 所 示的生物传感模型 。
图 2 共轭聚电解质的生物传感模型 [34] Fig. 2 Biosensor model based on conjugated polyelectrolyte[34]
但 Bazan 课题组的进一步研究发现[35] ,即使具 有荧光猝灭功能的探针分子不含有生物素基团 ,加 入被检测抗生素蛋白时 ,共轭聚电解质被猝灭的荧 光也会部分恢复 ,并且他们还发现抗生素蛋白本身 就能增强共轭聚合物 Li + 2MPS2PPV 溶液的荧光强 度 ,因此他们认为聚合物和抗生素蛋白之间存在因 电荷相互作用而产生的某种非特定的相互作用 ,使 其荧光强度发生变化 。所以 ,在上述生物传感模型 中 ,不 仅 存 在 着 源 于 抗 生 素 蛋 白2生 物 素 ( avidin2 biotin) 之间的相互作用 ,还存在聚电解质与抗生素 蛋白之间的相互作用 ,二者都会减弱聚合物与猝灭 剂之间的静电作用 ,从而提高聚电解质溶液的荧光 量子产率 。
第 21 卷 第 4 期 2009 年 4 月
化 学 进 展
PROGRESS IN CHEMISTRY
Vol . 21 No. 4 Apr. , 2009
荧光共轭聚合物在生物大分子检测中的应用 3
支俊格1 3 3 徐秀玲1 申进波2 赵 玮2 佟 斌2 董宇平2 3 3
(1. 北京理工大学理学院化学系 北京 100081 ; 2. 北京理工大学材料科学与工程学院 北京 100081)
Heeger 课题组[33] 用另一水溶性带有磺酸离子 的聚苯撑乙烯衍生物 (MBL2PPV) 实现了对一种电子 转移蛋白质细胞色素 c (cyt c) 的高灵敏检测 。细胞
色素 c 在生物体的线粒体呼吸链中起重要作用 ,它
是一种含铁离子的蛋白质 ,易与负离子聚电解质形
Contents
1 Introduction 2 Application of conjugated polymers in detecting
2. Department of Materials Science and Engineering , Beijing Institute of Technology , Beijing 100081 , China)
Abstract Conjugated polymers exhibit excellent electronic and luminescent properties due to their special π2 electronic system and conjugated delocalized structure. The fluorescence intensity and emission wavelength of them vary obviously and selectively with different interactions between conjugated polymer and detected compounds. The fluorescence signals deriving from the interactions between conjugated polymer and detected compounds are often amplified because the effective electrons and energy transfer along the main2chain of conjugated polymers , which can respond high2 sensitively to analytes and exceed to that of small model compounds. The novel chemical and biological sensors based on conjugated polymers are developed. Many conjugated polymers , including poly(thiophene) s , poly ( fluorene2co2 phenylene) s , poly(phenylene ethynylene) s and poly(phenylene vinylene) s are used to detect biomacromolecules. In the present paper , the recent progress of conjugated polymers as biosensors is summarized , and the assay of protein , DNA and toxin using fluorescent conjugated polymers is discussed.
摘 要 共轭聚合物因其具有π电子体系及共轭离域结构 ,一般都具有优异的发光性能 ,其发光强度和 发射波长会随被检测化合物结构的不同而发生特异性响应 ,特别是在与被检测物相互作用过程中产生的电 荷和能量能够沿共轭分子链进行有效传递 ,成倍放大这种作用 ,从而有效提高了检测灵敏度 ,这比相应的小 分子化合物更具有优越性 。目前共轭聚合物已被用于开发新型化学 、生物传感器 ,尤其是在生物分子检测方 面的应用得到迅速发展 。本文总结了近年来荧光共轭聚合物在生物传感方面的研究进展 ,主要讨论共轭聚 合物在蛋白质 、核酸及毒素检测中的应用 。
关键词 荧光共轭聚合物 生物检测 荧光猝灭 中图分类号 : O657. 3 ; O629 ; O632. 1 ; TP212. 3 文献标识码 : A 文章编号 : 10052281X(2009) 0420739208
Application of Fluorescent Conjugated Polymers in Detecting Biomacromolecules
·740 ·
化 学 进 展
第 21 卷
1 引言
荧光检测是根据被检测物与荧光物质之间特定 的相互作用而引起的荧光强度的增加或降低 ,或者 荧光波长的变化来实现对被分析物的检测 ,具有高 灵敏性 ,已经被广泛地应用于化学与生物检测 。
作为荧光物质的一种 ,荧光共轭聚合物因其主 链的共轭离域性和刚性结构 ,被认为是一种宽禁带 半导体材料 ,具有很好的发光性能[1 —3] 。同时共轭 聚合物的结构特点也决定了其有效的电子和能量转 移通常具有很高的摩尔吸光系数与荧光量子效率 , 使其在荧光检测中具有明显的优势 。
Zhi J unge1 3 3 Xu Xiuling1 Shen Jinbo2 Zhao Wei2 Tong Bin2 Dong Yuping2 3 3 (1. Department of Chemistry , Beijing Institute of Technology , Beijing 100081 , China ;
图 1 共轭聚合物分子导线效应示意图 [4] Fig. 1 Schematic description of the molecular wire receptor assembly of conjugated polymers[4]
正是存在这种效应 ,使得共轭聚合物对被检测 物的响应灵敏度远高于小分子模型化合物 ,从而更 适于在化学 、生物检测方面的应用[3 ,4 ,10] 。如果将具 有分子识别性能的基团引入共轭聚合物中 ,可以构 筑成具有特殊基质的传感器或诱导共轭聚合物组装 成功能性材料[3 ,6 —10] 。目前 ,荧光共轭聚合物已经 被广泛用于各种物质的检测中[3 ,9 —30] ,包括金属离
图式 1 几种共轭聚电解质 Scheme. 1 Several kinds of conjugated polyele ctrolytes
2. 1 蛋白质的检测 目前 ,生物传感的一般方法基于 Whitten 课题
组[34] 报道的利用水溶性荧光共轭聚合物和连接在 生物素 (biotin) 配体上的猝灭基团之间相互作用而 产生的荧光信号的变化 ,其基本原理如图 2 所示 。
共轭 聚 合 物 在 荧 光 传 感 器 中 的 应 用 最 早 由 Swager 课题组提出 ,他们发现[4 , 5] 有些荧光共轭聚合 物通过共价键 、氢键或分子间静电作用等与某些化 合物结合时 ,会产生荧光猝灭 ;一个游离状态的荧光 分子被一个待测物分子所“猝灭”,此荧光强度的改 变只有在较高浓度时才能检测到 ;而把这些荧光分 子连接成一个大分子链时 ,如果其中一个链节的荧 光被“猝灭”,则可以通过沿整个分子链的快速能量 传递而引发其它链节的荧光也发生“猝灭”,这样就 在不改变功能基团与识别分子结合常数的情况下 , 成十倍甚至上百倍地放大响应信号 ,提高对待测物 的检测灵敏度 ,可以实现痕量 、超痕量被测物的检 测 ,这就是所谓“分子导线效应”[4] ,如图 1 所示 。
子[11 —15] 、阴离子[20 —24] 、有机小 分 子 化 合 物[16 —19] 、爆 炸物[25 —30] ,以及生物分子的检测[31 —55] 等 。
2 共轭聚合物在生物大分子检测中的应用
近年来 ,蛋白质及 DNA 的检测成为生物检测领 域研究的热点与焦点[10 ,31] 。最初用于化学传感的共 轭聚合物只能溶于有机溶剂 ,这极大地限制了其在 生物传感领域的应用 。美国 Los Alamos 国家实验室 的研究者将共轭高分子衍生化 ,在侧基上引入离子 基团 (如磺酸基 、羧基 、铵基等) ,使之成为水溶性高 分子 ,从而使共轭聚合物的这一独特优点被引入到 生物检测中[32 , 33] ,目前研究较多的共轭聚电解质有 聚噻吩类 ( PT) 、聚对苯撑乙烯类 ( PPV) 、聚对苯撑乙 炔类 ( PPE) 及聚苯撑芴类 ( PFP) 等 ,图式 1 给出几种 共轭聚电解质 。但近年的研究也发现 ,非离子共轭 聚合物也可用于生物检测[37 —39] 。
biomacromolecules
Biblioteka Baidu
2. 1 Detecting of protein 2. 2 Detecting of DNA 2. 3 Detecting of toxin 3 Conclusion
收稿 : 2008 年 5 月 , 收修改稿 : 2008 年 6 月 3 国家自然科学基金项目 (No. 20504005 , 20634020) 资助 3 3 通讯联系人 e2mail :zhijunge @bit. edu. cn ; chdongyp @bit. edu. cn
第4期
支俊格等 荧光共轭聚合物在生物大分子检测中的应用
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他们采用的共轭聚合物是聚苯撑乙烯衍生物 Li + 2 MPS2PPV (1) ,探针分子是含有一个具有识别功能生 物活性基团 (生物素 B) 的 [ N2生物素基 ]2N′2(乙酰 基24 ,4′2吡啶基碘化吡啶盐) 乙二胺 (BPP+ ) ,其中吡 啶盐是电子受体 Q 。当 BPP+ 加入到 Li + 2MPS2PPV 的水溶液中时 ,微弱的静电作用使猝灭基团 Q 与聚 合物主链相互接触 ,Q 可以捕获电子给体 Li + 2MPS2 PPV 激发态的电子 ,从而发生荧光猝灭 。当加入目 标分析物抗生素蛋白 (avidin) 时 ,它能够识别生物素 B 并与之结合 ,使 BPP+ 与聚合物 Li + 2MPS2PPV 的相 互作用被解除 ,聚合物重新发射荧光 。这就是利用 共轭聚合物荧光的变化进行的简单 、高效检测生物 大分子的方法 ,据此 Whitten 课题组给出了如图 2 所 示的生物传感模型 。
图 2 共轭聚电解质的生物传感模型 [34] Fig. 2 Biosensor model based on conjugated polyelectrolyte[34]
但 Bazan 课题组的进一步研究发现[35] ,即使具 有荧光猝灭功能的探针分子不含有生物素基团 ,加 入被检测抗生素蛋白时 ,共轭聚电解质被猝灭的荧 光也会部分恢复 ,并且他们还发现抗生素蛋白本身 就能增强共轭聚合物 Li + 2MPS2PPV 溶液的荧光强 度 ,因此他们认为聚合物和抗生素蛋白之间存在因 电荷相互作用而产生的某种非特定的相互作用 ,使 其荧光强度发生变化 。所以 ,在上述生物传感模型 中 ,不 仅 存 在 着 源 于 抗 生 素 蛋 白2生 物 素 ( avidin2 biotin) 之间的相互作用 ,还存在聚电解质与抗生素 蛋白之间的相互作用 ,二者都会减弱聚合物与猝灭 剂之间的静电作用 ,从而提高聚电解质溶液的荧光 量子产率 。
第 21 卷 第 4 期 2009 年 4 月
化 学 进 展
PROGRESS IN CHEMISTRY
Vol . 21 No. 4 Apr. , 2009
荧光共轭聚合物在生物大分子检测中的应用 3
支俊格1 3 3 徐秀玲1 申进波2 赵 玮2 佟 斌2 董宇平2 3 3
(1. 北京理工大学理学院化学系 北京 100081 ; 2. 北京理工大学材料科学与工程学院 北京 100081)
Heeger 课题组[33] 用另一水溶性带有磺酸离子 的聚苯撑乙烯衍生物 (MBL2PPV) 实现了对一种电子 转移蛋白质细胞色素 c (cyt c) 的高灵敏检测 。细胞
色素 c 在生物体的线粒体呼吸链中起重要作用 ,它
是一种含铁离子的蛋白质 ,易与负离子聚电解质形