DNAzyme-Based生物传感器使用纳米材料对金属离子的测定

文摘

金属离子在生物和环境系统中,扮演重要的角色,因此敦促科学家开发可靠的敏感和金属离子的选择性检测的方法。过去的十年目睹了巨大进步发展的金属离子传感器基于DNAzymes(优秀的识别选择性对金属离子)和纳米材料(具有独特性能的提高检测灵敏度)。本文介绍了纳米材料的功能和应用程序在DNAzymesbased金属离子传感平台,包括金纳米粒子(国民生产总值)和石墨烯氧化物(GOs)。此外,现有的局限性和新兴的趋势在该地区进行了讨论。

关键字

金属离子、DNAzyme、金纳米颗粒,氧化石墨烯生物传感器

介绍

金属离子可导致严重的环境和健康问题,因为他们accumulativity和undegradability1]。排放的有毒重金属对环境带来了挑战,在许多国家和地区(2)的金属污染物也对人类健康产生深远的影响。因此,它是高度期望的开发有效的方法准确地量化金属离子的含量。

传统的仪器分析方法,包括原子吸收光谱法(3电感耦合等离子体质谱法(4),电感耦合等离子体原子发射光谱(5,反相高效液相色谱法(6),已报告的可靠检测金属离子。尽管有自己的优点,如精度高、灵敏度好、他们总是依靠昂贵和精密仪器的应用,结合复杂和繁琐的样品制备步骤,这必须由训练有素的人员执行。这些问题严重防止其广泛应用于日常检测金属离子。

为了克服上述局限,基于有机小分子传感系统(引起了相当大的关注7,8),因为它们不仅高度敏感,也非常简单。虽然这些化学传感器具有吸引力,还遇到了问题。这些有机分子具有水溶性较差。此外,他们很容易受到其他非特异性物种,显示了令人失望的选择性。有时,它也可能受到其他问题,如缓慢的响应时间和复杂的有机分子的合成。这些缺陷极大地限制他们的使用作为一个受欢迎的传感方案。

解决溶解度和选择性问题,DNAzymes,通过体外筛选选择,可以提供一个很好的解决方案,因为DNAzymes功能性DNA分子能催化许多化学和生物反应的特定的金属离子与满意的亲和力和特异性。DNAzyme-aided方法已广泛用于转换的金属ion-dependent活动DNAzymes成可测量的信号,如比色法、荧光,荧光各向异性、表面增强拉曼散射、表面等离子体共振,化学发光、电化学和电化学发光。这是最基本的机制如何DNAzymes用于特定金属离子的量化(9]。DNAzymes能保证金属离子传感检测的选择性,而DNAzyme-mediated检测方法的检测灵敏度并不吸引人。但是这个问题可以解决的就业纳米材料。

DNAzymes具有很好的识别能力都结合纳米材料表现出显著的放大效应,具有新的活力注入DNAzyme / nanomaterial-aided生物传感器的发展的迅速和精确量化金属离子(10- - - - - -12]。DNAzymes可以识别相关目标选择性和纳米材料是强大的工具,用于信号转换和放大,使DNAzymes与纳米材料完美的集成选项生物传感器建设,作为证明方案1。

在评估中,金属离子传感器的最新进展制造基于DNAzymes加上纳米材料的工作,主要包括金纳米粒子(国民生产总值)和石墨烯氧化物(GOs)了。此外,现有的局限性和新兴趋势指出DNAzyme / nanomaterial-assisted敏感传感系统。

纳米材料进行信号转导/放大等功能

随着纳米科学的发展和繁荣纳米技术,许多纳米材料的特殊性质,得到了日益增长的兴趣在金属离子生物传感器的发展13]。纳米材料拥有令人印象深刻的物理、化学、电气和机械性能,可显著提高生物传感器的性能14]。纳米材料的角色若系统可能非常不同,不同的荧光饮料和色度指标为信号探测有效信号放大器和运营商。耦合利用纳米材料和DNAzymes保若系统的灵敏度和选择性测定金属离子。在以下部分中,我们将总结生物传感器的最新发展对金属离子检测的协助下DNAzymes和纳米材料,特别是,包括国民生产总值和神仙。

国民生产总值用于DNAzyme-Based金属离子传感系统

把国民生产总值作为若工具的一个固有的优点是他们不同的吸收属性(ssDNA)和双链DNA单链DNA (dsDNA),以及他们灵活的信号转导机制。ssDNA探针可以紧裹在国民生产总值表面并形成稳定复合物通过强大的DNA碱基的氮原子之间的相互作用和金原子。但对于dsDNA,国民生产总值的亲和力是明显较弱。这是因为dsDNA结构与氮含量更严格的基地还埋在带负电荷的磷酸骨干暴露在外面,这导致强大的排斥力dsDNA和带负电荷的国民生产总值之间的关系。不同的交互关联性对ssDNA和dsDNA基本工作机制DNAzyme / GNP-based生物传感器是如何设计的。

可怜的荧光量子产量的国民生产总值使他们不适合作为荧光指标。然而,独特的电子性质赋予国民生产总值的淬火效率。国民生产总值提供承诺的机会来革新荧光共振能量转移(FRET)化验因为gnp的淬火效果是几个数量级高于常用的荧光团,作为饮料。国民生产总值也可以被视为普遍的饮料几乎所有染料。所有这些优点使国民生产总值为建设一个强大的工具FRET-based生物传感器,可以允许的有效和精确分析金属离子(15]。

国民生产总值已经取得了有意义的意义在金属离子生物传感器的发展,特别是在比色方法。一般来说,分散的国民生产总值与直径约13海里出现红色,因为他们表现出强烈的光吸收周围520海里由于表面等离子体共振的存在。国民生产总值骨料,其规模显著增加,这带来了一个吸收波长红移的国民生产总值,颜色从红色到蓝色的变化。这可以很容易地由肉眼可视化。国民生产总值的装配和拆卸可以通过调制识别原则可编程实现耦合的构型改变DNA探针。比色传感器基于国民生产总值和DNAzymes提供一个优雅的金属离子检测平台,不需要任何昂贵的或复杂的设备还可以用于现场分析。

基于关键角色,国民生产总值在DNAzyme-mediated传感器,设计原则DNAzyme / gnp若系统可以分为几种类型:荧光饮料、色度指标和信号增强剂(16- - - - - -18]。

去应用于建设DNAzyme-Based金属离子传感器

自2004年发现以来,石墨烯具有显著加速二维纳米技术的进步19]。作为一个了不起的二维纳米材料,石墨烯是由单层的碳原子。已经取得了大量的研究工作的调查和应用石墨烯及其衍生物由于其迷人的属性,如优秀的机械强度,高弹性,导热性好,可控光学性质。作为一个有前途的石墨烯衍生品、GOs特别感兴趣的是由于其良好的水溶性和方便的功能化,这是由于许多含氧功能化学集团的存在。具有宽吸收带从200纳米到800纳米,可以提供灵活的选项去亲对烦恼。可以作为一个普遍的荧光光谱重叠的饮料没有严格的要求去荧光能量捐助者。展览一个优越的淬火能力有效淬火距离只要30 nm通过远程荧光能量转移过程。这个距离是更长的时间比传统的烦恼对典型的距离,这是据报道大约10纳米。所有这些属性允许非政府组织积极参与发展的荧光传感器等领域的应用生物医学诊断和环境检查20.]。

特殊的吸收之间的亲和力去和DNA探针在生物传感器结构受到相当大的关注,因为他们可以帮助若实现基本目标:目标识别、信号转导和提高。与dsDNA探测器相比,ssDNA探针展览优惠绑定关联到表面,这主要是由于π-π叠加芳香环之间的碱基的DNA和六角形细胞。然而,吸收去dsDNA之间的亲和力,在碱基被埋在螺旋结构,成为弱得多(21]。

非政府组织不仅可以作为优良的荧光饮料,但也能作为惊人的信号放大器,尤其是若系统,荧光各向异性值测量。荧光各向异性值是高度敏感的荧光标记分子的旋转运动变化,进而取决于各种参数,包括分子质量、温度和溶液粘度。其中,分子质量的关键因素之一,可以显著影响荧光各向异性的测定。非政府组织有大量的分子质量,可以提供一个很好的机会若信号增强的平台。

关键优势,石墨烯具有比其他材料,如硅,是超高的载流子迁移率和单原子厚度22),这使得它有前途的场效应晶体管传感器的应用。它已经被预言石墨烯甚至可以移动高达200000厘米吗²V⁻¹年代⁻¹在室温下(23]。此外,单原子厚度权证弹道传输整个基地,从而导致了高增益,低阻力。更重要的是,石墨烯具有神奇的机械强度和灵活性,并统一制作也很容易实现。良好的载流子迁移率和信号增益,低电噪音,以及单原子厚度和力学性能集体代表最有利的特性,可以使石墨烯能够显著提高场效应晶体管的性能(24]。去发现在大量若策略、耦合与各种信号转导模式,如荧光比色和电化学。

图1说明了两种典型情况下,国民生产总值(图1 a和1 b)去(图1 c和d)作为荧光饮料(25,26]。再加上DNAzymes,国民生产总值,是为UO的决心₂^{2 +}和铅^{2 +},分别。所示图1一个首先,DNAzyme(指定为39 e)与国民生产总值(指定为AuNP)形成DNAzyme-GNP复合物(39 e-aunp)。这是紧随其后的是DNAzyme及其相应的底物之间的杂交,39岁,标记荧光团和淬火的目的。国民生产总值的复杂/ DNAzyme /衬底形成(指定为39 es-aunp) [27- - - - - -31日]。荧光团间的近距离,国民生产总值显著猝灭荧光和削弱了杂交后的背景信号。UO的引入₂^{2 +}然后引发了酶裂解分离荧光DNA片段的国民生产总值和饮料。因此荧光显著增强是用来报告UO的存在₂^{2 +}以定量的方式,如示图1 b。的插图图1 b结果显示检测方法的选择性。这是第一个报告,DNAzyme用于活细胞中金属离子传感。应该注意的是,国民生产总值是理想的细胞研究血清中由于其稳定性和抗酶促降解32- - - - - -40]。

图1 c演示了一个刺激荧光传感策略,信号增强有关Pb2 +的浓度(40- - - - - -45]。在这种方法中,一个独特的DNAzyme大ssDNA循环选择,确保DNAzyme之间的强相互作用和去。在缺乏Pb2 +,一个复杂的包含Pb2 +端依赖DNAzyme及其基质贴上家人被去吸引和淬火,从而导致一个极大地抑制信号。引入Pb2 +,衬底链裂解和许多短ssDNA段生成,其中FAM-tagged ssDNA产品只有5核苷酸长度。这些短FAM-ssDNA调查表现出非常弱的亲和力去保持他们的荧光。荧光信号变化和浓度之间的关系描述的目标(Pb2 +)图1 d(46- - - - - -69年]。

总结了从快速增长的文献,若方法使用的细节DNAzymes和纳米材料中列出表1。

表1。比较DNAzyme / nanomaterial-aided方法测定金属离子。

结论和展望

金属离子构成严重accumulativity和undegradability威胁环境和人类健康,因为他们的相当大的重要性因此建立有效的金属离子测定dreliable策略。为了避免传统方法的缺点和有机分子计划,根据就业的先进方法材料已经被提出。其中,遥感方法基于DNAzemes和纳米材料的参与(如国民生产总值去)已经开发了金属离子的检测,如铅^{2 +}、铜^{2 +}、汞^{2 +}、铅^{2 +}等等。DNAzymes吸引力的DNA探针,保证识别选择性对许多金属离子和允许灵活的信号转导机制表明目标的存在。此外,纳米材料以惊人的属性可以保证灵敏度提高,因为他们可以显著增强的响应信号,包括荧光、colormetrics,电化学等等。

荧光生物传感器可以实时和无创监测金属离子的快速和可重现性。然而,他们很容易受到一些限制,如不可逆的光漂白和昂贵的实验室设施。比色方法提供选择机会实现现场检测金属离子。他们通常是更具成本效益,因为他们不依赖于任何复杂的仪器和结果可以通过肉眼可视化。但是仍有一些缺点,包括足够的颜色变化和可怜的敏感性。电化学测量也吸引大量关注由于其低成本和简单。不幸的是,问题仍然存在,比如可怜的再现性和令人不满意的稳定。所有这些传感方法有自己的优点和缺点。

就业DNAzymes和纳米材料允许可靠和健壮的测定金属离子在环境监测和医疗诊断。提起虽然有重大进展,许多问题仍然存在。首先,它是一个挑战发展策略实现多路复用一些金属离子的确定在一个测试。此外,目前DNAzymes通常针对铅^{2 +}、铜^{2 +},UO₂^{2 +}、锌^{2 +},毫克^{2 +},而DNAzymes相关的其他重要的金属离子,如Sr^{2 +}和铬^{3 +}仍不可用。要解决这些问题,强烈要求隔离DNAzymes和先进的纳米材料具有优越的信号和传感功能的准备。

取得了很大的进步在纳米技术的发展,若,我们相信DNAzyme / nanomaterial-mediated金属离子传感器将承诺在未来的实际应用潜力。

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