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      基于納米孔器件的光響應分子的應用

      發布時間:2020-12-22 10:35所屬分類:化學加入收藏

      摘 要 探索生物大分子和小分子的構象以及它們在外界環境中的響應和作用規律對理解有機質的結構與性能的關系十分重要。納米孔作為新興的第三代單分

        摘 要 探索生物大分子和小分子的構象以及它們在外界環境中的響應和作用規律對理解有機質的結構與性能的關系十分重要。納米孔作為新興的第三代單分子基因測序技術, 可以實時監測待測物分子的構象變化過程, 在單分子檢測及核酸和蛋白測序方面展現了良好的應用前景。為了進一步提高檢測的分辨率和精確度,可以采用光電聯合檢測方法,通過引入光響應分子以滿足更高的檢測需求。本文綜述了目前納米孔器件的研究進展以及代表性光響應分子在納米孔檢測系統中的設計與應用,主要介紹了偶氮苯及其衍生物、螺吡喃和二芳基乙烯三類光響應分子分別在生物孔和固態孔中的光響應性能。光調控是一種操作簡捷有效的分子結構監控方式,其與納米孔檢測技術的結合在單分子識別方面的應用潛力對多功能納米器件的設計與應用具有重要的指導意義。

        關鍵詞 納米孔; 光調控; 生物傳感器; 光響應分子; 結構反轉; 評述

      有機化學sci期刊

        1 引 言

        核酸是生命體的遺傳物質,發揮著傳遞遺傳信息、維持生命體進行正常生命活動的重要作用,充分了解核酸的結構信息和運行機制十分重要。DNA除雙螺旋結構外,還存在其它二級結構,這些結構與某些癌癥和遺傳性疾病關聯,所以相繼出現了一些基于核酸二級結構的靶向治療方法[1]。在活細胞中直接觀察核酸的結構變化以及作用機制十分困難,納米孔檢測技術可以實時監測待測物分子的構象變化過程,具有單分子檢測精度[2],且檢測范圍廣泛,包括小分子有機物[3]、納米粒子[4]和生物分子聚合物[5]等。目前,按納米孔載體材料不同可將納米孔分為生物納米孔和固態納米孔,生物納米孔通常是由蛋白質在磷脂雙分子層上自組裝成的通道結構,具有孔徑和孔型穩定、可重復性好和信噪比高等優點,但是,由于支撐蛋白孔的磷脂雙層的不穩定,使其使用壽命受到限制; 固態納米孔孔徑和孔型可控,環境耐受性強,易于實現孔表面的功能性組裝及標記與修飾,但可重復性和信噪比不及生物納米孔[6]。為了克服生物納米孔和固態納米孔各自的缺點, 并結合它們的優點,研究者誘導生物納米孔在固態納米孔中自組裝制備雜化納米孔[7],使其具有高穩定性和可重復性; 另外DNA折紙技術的自組裝特性和納米級精確度也為雜化納米孔的構建指明了方向[8]。

        鑒于納米孔自身的特性及納米孔限域空間內電學信號檢測精度對分析結果的影響[9],采用光電聯合檢測方法可進一步提高檢測靈敏度和精確度。光電聯合檢測方法將光調控與電化學分析相結合,在納米器件表面或待測物分子上修飾光響應分子, 獲得光誘導電信號[10,11],從而進行待測物分析,或進行物質傳輸等[12]。光調節是一種精確、簡單、可重復, 且光照時間、位置、強度都可調控的方法,有利于控制分子的運動和構象的變化[13]。近年來有很多報道關于光響應分子在納米孔檢測技術中的應用,以完成納米孔自組裝[14],實現離子選擇性傳輸[15],控制納米孔開關狀態[16],或者使待測物分子功能化[17,18]等。通過單一的光學檢測技術實現單分子檢測較為困難,因為目前光學傳感體積無法控制在單分子級別,新型的等離激元納米孔將等離激元和納米孔檢測兩種傳感模式相結合,同時提高了檢測精確度和信噪比[19]。本文將主要介紹偶氮苯及其衍生物[20]、螺吡喃[21]和二芳基乙烯[22]三類不同的光響應分子的光響應機制以及它們在光控納米孔器件中的應用。

        2 偶氮苯及其衍生物在光響應體系中的應用

        偶氮苯及其衍生物是一種常用的光敏開關,紫外光下呈現為順式構象(cis-azo),切換可見光,則呈現為反式構象(trans-azo),且此過程可逆(圖1)。偶氮苯衍生物可以通過聚酰胺修飾在DNA雙鏈的小凹槽上[23],平面的trans-azo與DNA堿基對之間通過π-π堆疊作用穩定雙鏈,而cis-azo會使雙鏈DNA解鏈[24,25]。據此,研究者做了很多探索,如光調控生物分子在多通道納米器件上的自組裝[26],以及適配體探針的修飾,不同光照條件下兩種不同結構的適配體探針與目標物之間的親和力差異有助于闡釋適配體與目標物之間的相互作用,在靶向藥物傳遞和光動力治療中具有廣闊的應用前景[27]。體外控制DNA的解鏈和雜交是DNA納米技術的重要步驟,可通過調節溫度實現,若利用光調控, 則需要使DNA序列功能化,而偶氮苯衍生物可與DNA序列發生非共價作用,憑借平面反式構象穩定DNA雙鏈,在紫外光和可見光的調控下實現DNA雙鏈可逆的解鏈與雜交[28],在恒定溫度條件下, 可逆地控制DNA納米結構的組裝與拆分,這有望成為光調控DNA納米技術的一種新方法。

        環糊精(CD)和葫蘆脲(CB[n])可作為偶氮苯及其衍生物的主體分子[35,36]。生物系統中離子通道的開關狀態受配體、pH值及電位等因素的影響,對于體外實驗,單分子級別的人為調控對實驗條件要求較高,而在納米孔中引入光響應分子有望實現這一目標,并且在納米陣列中亦有很大的應用潛力。固態納米孔結構穩定,易于進行表面功能化, 以優化性能[37]。 Xie等[38]通過在聚酰亞胺(PI)納米孔表面修飾偶氮苯調控納米孔的開關狀態(圖2),利用偶氮苯與β-環糊精(β-CD)的主客體反應,改變納米孔表面的親疏水性,從而使納米孔在非導電和導電狀態之間切換。該系統不僅具有光響應性,還具有電壓調控性,當非導電納米孔兩側的電壓達到極限值(2.6 V)時,納米孔切換為導電狀態,該模型特有的光響應性和電壓調控性有助于研究和操縱納米約束環境下的水行為。此外,納米孔器件的功能化常受到分子馬達的啟發,如在可見光作用下,細菌視紫紅質質子泵系統將質子從細胞質轉移到細胞外,完成跨膜運輸(圖3A)。Xie等[39]模擬該生物質子泵設計了一個仿生光驅動大通量運輸系統(圖3B),修飾有偶氮苯的PI納米孔經光調控使表面親疏水性發生變化,處于納米孔限域空間的偶氮基團在可見光和紫外光的循環照射下,構象連續反轉,將積累在通道中的分子排出,其疏水性只允許β-CD通過納米孔,所展現的高選擇性在藥物傳遞中有潛在的應用價值。除了將偶氮苯修飾在納米孔表面外,Liu等[40]在PI納米孔內修飾了β-CD,制備了基于主客體系的光調控納米流體二極管(圖4),通過調節pH值實現高精度整流,具有不同表面性質和狀態的納米通道為光敏納米流體器件和藥物傳輸與釋放提供了一個新的納米流體平臺。

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