小分子光电探针的设计与生物检测应用

小分子硫醇、金属离子、活性氧等小分子物质是生物体的重要组成部分，其浓度的异常经常与许多疾病密切相关。比如，半胱氨酸的缺乏会导致诸如组织浮肿、嗜睡、肝组织损伤及婴儿的生长发育缓慢等疾病；血浆中高半胱氨酸浓度的增高会显著提高患冠状动脉疾病、脑血管疾病和心肌梗塞、抽风等栓塞类疾病的发病几率；Hg²⁺等重金属离子进入体内会与含巯基的蛋白和重要酶结合，使其失去生理活性，危害人类健康。因此，对这些生理、病理小分子进行实时、准确、高灵敏的检测对于更好地理解生理和病理过程的发生发展机制以及疾病的诊断和预防都具有十分重要的意义。近年来，多种性能优异的荧光探针被研发出来，并已成为当前原位检测活性小分子的重要手段。然而，如何消除生物基体背景荧光的干扰、提高探针的寿命、量子产率和可穿透深度，仍然是荧光探针技术所需面临的挑战和技术难点。因此，寻找更简单、灵敏、选择性好，可实时监测且成本低廉的小分子物质的分析方法仍是分析化学工作者关注的热点问题。

图1. 三苯胺光电探针识别半胱胺的工作原理示意图

近年来，大连理工大学吴硕（点击查看介绍）课题组一直致力于发展一类新型的光电探针。这类探针不仅可实现小分子的选择性识别，而且可将识别行为转换为光电信号输出。众所周知，光电化学技术以光作为激发源，而以电流、电压等作为信号输出形式，激发源和检测源的分离可以有效降低光电探针的背景干扰。而电化学分析方法本身固有的灵敏度高、成本低、设备简单和探头易于微型化等特点，又使光电探针在复杂体系的在线检测中具有巨大的应用潜力。在前期的工作中，该课题组设计了一种以α,β不饱和酮作为识别基团的三苯胺光电探针，该探针为D-π-A结构，三苯胺作为电子给体（D），在光照下，可通过由噻吩和双键搭成的π电子桥，通过羧基吸电子基（A）向TiO₂纳米粒子修饰的光电极传递电子（图1）。当体系中存在半胱氨酸时，半胱氨酸与光电探针中的α,β不饱和酮发生加成反应，光电探针的光电子转移通路被阻断，光电信号极大降低。基于此，她们实现了半胱氨酸的高选择性光电检测。有意思的是，在光电极界面和探针识别基团的双重作用下，三苯胺光电探针表现出了极佳的选择性，不仅可排除血液中其它氨基酸类物质的干扰，而且可排除高胱氨酸，这种与半胱胺只差一个亚甲基的小分子硫醇类似物的干扰。

图2. 钌联吡啶光电探针识别Hg²⁺的工作原理示意图

近期，该课题组又设计合成了一种钌联吡啶类光电功能探针，Ru-1（图2）。探针以联吡啶为发色团，异硫氰根配体为分子识别单元，含有膦酸基的共轭配体与TiO₂光电极连接作为光电子转移通路。异硫氰根配体可有效离域钌联吡啶的光生空穴，使光电探针在光激发下具有较低的光电子-空穴复合几率，从而表现出高效的光电转换效率。然而，当体系中存在Hg²⁺时，Hg²⁺与异硫氰根的强配位作用将改变探针的能级结构，拓宽基态和激发态间的禁带宽度，加剧光电子和空穴的复合，从而引起光电流的显著降低。基于此，该Ru-1光电探针与TiO₂复合结构可实现血清、尿液和细胞裂解液中Hg²⁺的高灵敏、高选择性检测，检测限可以达到0.63 pg/mL。

以上成果均发表在Analytical Chemistry 上，文章通讯作者是大连理工大学吴硕教授，主要研究方向多功能纳米复合材料的设计合成以及癌症等重大疾病标志物的早期诊断和诊疗一体化方面的研究工作。

该论文作者为：Shuo Wu*, Wenjuan Tu, Yanqiu Zhao, Xiuyun Wang, Jie Song, Xinlan Yang

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Phosphonate-Substituted Ruthenium(II) Bipyridyl Derivative as a Photoelectrochemical Probe for Sensitive and Selective Detection of Mercury(II) in Biofluids

Anal. Chem., 2018, 90, 14423–14432, DOI: 10.1021/acs.analchem.8b03985

导师介绍

吴硕

https://www.x-mol.com/university/faculty/9217