基于能量轉(zhuǎn)移的熒光納米傳感器研究進(jìn)展

田力，韓鑫，張紀(jì)梅

（天津工業(yè)大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，天津300387）

基于能量轉(zhuǎn)移的熒光納米傳感器研究進(jìn)展

田力，韓鑫，張紀(jì)梅

（天津工業(yè)大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，天津300387）

從核酸分析、細(xì)胞成像、環(huán)境監(jiān)測(cè)和生物識(shí)別等多個(gè)方面綜述了熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）、納米材料表面能量轉(zhuǎn)移（NSET）、化學(xué)熒光共振能量轉(zhuǎn)移（CRET）等熒光納米傳感器中3種常見(jiàn)光譜技術(shù)的最新研究進(jìn)展，并對(duì)熒光納米傳感器在生物標(biāo)志物發(fā)現(xiàn)、疾病早期檢測(cè)與診斷、生物成像和體內(nèi)藥物輸送等生物、化學(xué)領(lǐng)域中的發(fā)展前景進(jìn)行了展望.

熒光納米傳感器；熒光共振能量轉(zhuǎn)移；納米材料表面能量轉(zhuǎn)移；化學(xué)熒光共振能量轉(zhuǎn)移

熒光納米傳感器在生物檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、細(xì)胞成像、疾病診斷與治療等方面的應(yīng)用引起了人們的廣泛關(guān)注[1-2].熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）、納米材料表面能量轉(zhuǎn)移（NSET）和化學(xué)熒光共振能量轉(zhuǎn)移（CRET）是熒光納米傳感器中3種最常用的光譜技術(shù)，它們都涉及供體與受體之間的非輻射能量轉(zhuǎn)移.能量轉(zhuǎn)移機(jī)制提供了一種新穎的構(gòu)建生物、化學(xué)傳感器的方法，其獨(dú)特的空間效應(yīng)與光譜效應(yīng)賦予了傳感器突出的性能.比如，能量轉(zhuǎn)移可用于設(shè)計(jì)熒光比率探針，與單信號(hào)熒光探針相比，比率探針有效地避免了探針濃度、探針環(huán)境和激發(fā)強(qiáng)度的干擾，極大地提高了檢測(cè)的靈敏度和準(zhǔn)確性.而且，能量轉(zhuǎn)移體系中供受體之間嚴(yán)格的空間距離，為探索生物分子的構(gòu)象變化及相互作用機(jī)制提供了理想的納米尺.此外，在基于能量轉(zhuǎn)移的傳感器中，許多窄帶激發(fā)的受體（比如有機(jī)熒光染料）本身又作為特異性探針部件，通過(guò)激發(fā)與受體相匹配的寬激發(fā)供體（比如量子點(diǎn)），間接地拓展了受體的激發(fā)范圍，便于設(shè)計(jì)兼具寬帶激發(fā)和高特異性的探針.本文根據(jù)能量轉(zhuǎn)移途徑的不同將熒光納米傳感器分為3種：基于熒光共振能量轉(zhuǎn)移的納米傳感器、基于納米材料表面共振能量轉(zhuǎn)移的納米傳感器和基于化學(xué)熒光共振能量轉(zhuǎn)移的納米傳感器.在此基礎(chǔ)上介紹了其工作機(jī)理，并介紹了3種熒光納米傳感器在核酸分析、細(xì)胞成像、環(huán)境監(jiān)測(cè)和生物識(shí)別等領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展.

1 基于FRET的納米傳感器

1.1 FRET的機(jī)理

FRET首先由F?rster于1948年提出，其機(jī)理如圖1所示.

圖1 FRET機(jī)理示意圖Fig.1 Schematic illustration of principle FRET

FRET是指當(dāng)激發(fā)態(tài)的供體發(fā)射光譜與受體吸收光譜重疊，并且兩個(gè)基團(tuán)空間距離（R）在10 nm以內(nèi)時(shí)，發(fā)生的非放射性能量轉(zhuǎn)移現(xiàn)象[2].影響FRET能量轉(zhuǎn)移效率的因素有許多種，如供體發(fā)射光譜與受體吸收光譜的重疊程度、供體與受體之間偶極的相對(duì)取向和空間距離等.FRET對(duì)這些因素的敏感性促使其被廣泛用于生物與化學(xué)檢測(cè)器的構(gòu)建，并在DNA識(shí)別、環(huán)境監(jiān)測(cè)和生物成像等方面發(fā)揮了巨大的作用.

1.2 在DNA分子檢測(cè)中的應(yīng)用

寡聚核苷酸DNA序列的快速準(zhǔn)確檢測(cè)對(duì)病理學(xué)、遺傳學(xué)和環(huán)境離子檢測(cè)等具有十分重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義.傳統(tǒng)用于DNA檢測(cè)的技術(shù)包括PCR、Northern印跡、Southern印跡等.近年來(lái)，許多課題組通過(guò)分子信標(biāo)（包括量子點(diǎn)、有機(jī)熒光染料和金納米粒子等）與DNA連接的方法，構(gòu)建了豐富多彩的基于FRET的檢測(cè)系統(tǒng).

2007年美國(guó)海軍生物分子研究實(shí)驗(yàn)室Medintz等[3]將“發(fā)卡”型探針用于DNA檢測(cè).這是一種熒光“關(guān)閉型”檢測(cè)系統(tǒng)，兩端分別連接熒光染料和量子點(diǎn)的DNA，通過(guò)局部自我互補(bǔ)配對(duì)形成“發(fā)卡”結(jié)構(gòu).探針與互補(bǔ)DNA序列的雜交打開(kāi)了“發(fā)卡”結(jié)構(gòu)，使量子點(diǎn)與熒光染料基團(tuán)遠(yuǎn)離，導(dǎo)致FRET過(guò)程中斷和量子點(diǎn)熒光恢復(fù).這種方法可以檢測(cè)nM級(jí)別的DNA.

2009年加拿大多倫多大學(xué)Krull等[4]報(bào)道了一種“三明治FRET”，分別連接有量子點(diǎn)和有機(jī)熒光染料的兩條DNA被用于目標(biāo)DNA的比率檢測(cè).這種方法不僅避免了對(duì)目標(biāo)DNA進(jìn)行標(biāo)記，而且也能夠?qū)崿F(xiàn)低至1 nM DNA的靈敏檢測(cè).

此外，2006年新西蘭奧克蘭大學(xué)Peng等[5]設(shè)計(jì)了一種靜電作用介導(dǎo)的基于FRET的DNA探針，與通過(guò)共價(jià)方式連接的探針不同,此探針主要通過(guò)能量轉(zhuǎn)移效率的變化實(shí)現(xiàn)目標(biāo)DNA的檢測(cè).

1.3 在離子檢測(cè)中的應(yīng)用

許多金屬離子如Hg2+和Pb2+等，即使?jié)舛群艿停材軌驅(qū)θ祟?lèi)健康和環(huán)境造成嚴(yán)重危害.因此，探究有效檢測(cè)重金屬離子的方法成為人們研究的熱點(diǎn).

2008年廈門(mén)大學(xué)Shang等[6]成功地將基于羅丹明B開(kāi)環(huán)效應(yīng)的FRET方法用于Hg2+檢測(cè).2012年華南理工大學(xué)Liu等[7]將供體量子點(diǎn)和受體羅丹明B探針?lè)謩e固定在二氧化硅球的中間和表層，構(gòu)建了基于FRET的汞離子探針.由于羅丹明能與Hg2+特異性絡(luò)合，因而探針具有較好的選擇性.

2009年廈門(mén)大學(xué)Guo等[8]將量子點(diǎn)作為能量供體，金納米粒子作為能量受體，通過(guò)靜電作用，構(gòu)建了基于FRET的Pb2+探針.2010年華南理工大學(xué)Ma等[9]報(bào)道了一種檢測(cè)水溶液中Fe3+的方法，該FRET比率檢測(cè)系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)在于能使水溶性差的羅丹明探針實(shí)現(xiàn)水溶性檢測(cè).2011年山東師范大學(xué)Xue等[10]設(shè)計(jì)了一種基于氫鍵對(duì)FRET效率調(diào)節(jié)效應(yīng)的F-探針.基于FRET用于檢測(cè)Cu2+、Zn2+等離子的探針也數(shù)不勝數(shù)[11-12]，為疾病預(yù)防和環(huán)境監(jiān)測(cè)做出了巨大貢獻(xiàn).

1.4 在pH值檢測(cè)中的應(yīng)用

pH值對(duì)細(xì)胞功能有重要的影響.大多數(shù)細(xì)胞過(guò)程，包括細(xì)胞體積變化、囊泡運(yùn)輸、細(xì)胞的新陳代謝和信號(hào)傳導(dǎo)等都需要通過(guò)pH值來(lái)調(diào)節(jié).細(xì)胞內(nèi)pH值可以通過(guò)多種方式進(jìn)行測(cè)量，比如核磁共振、吸收光譜和熒光光譜等.特別地，基于FRET的熒光光譜技術(shù)由于具有高靈敏度和出色的時(shí)空分辨率，在衡量細(xì)胞內(nèi)pH值方面得到了廣泛的應(yīng)用.

2012年德國(guó)埃默里大學(xué)Bao等[13]開(kāi)發(fā)了一種pH探針，相比傳統(tǒng)由熒光染料構(gòu)建的pH探針，這種探針具有很高的靈敏度和光穩(wěn)定性，而且能夠檢測(cè)較寬范圍內(nèi)的pH值（6.2～8.3）.2013年韓國(guó)忠南國(guó)立大學(xué)Seo等[14]首次將由聚二乙炔囊泡構(gòu)建的FRET探針用于pH檢測(cè).2013年印度特里普拉邦大學(xué)Hussain課題組[15]設(shè)計(jì)的探針能夠?qū)?～12范圍內(nèi)的pH值進(jìn)行檢測(cè)，極大地拓展了FRET探針在廣譜pH測(cè)試中的應(yīng)用.

1.5 在有機(jī)化合物檢測(cè)中的應(yīng)用

2008年中國(guó)科學(xué)院Gao等[16]開(kāi)發(fā)了一種檢測(cè)TNT的傳感器，將熒光染料和有機(jī)胺化合物通過(guò)共價(jià)鍵連接到二氧化硅納米粒子的表面，TNT可以通過(guò)FRET作用使熒光染料淬滅.該傳感器能夠靈敏地檢測(cè)溶液中低至1 nM的TNT，同時(shí)還具有熒光穩(wěn)定和親和力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn).

2012年安徽師范大學(xué)Zhang等[17]為檢測(cè)溶液中的三聚氰胺，將帶負(fù)電的金納米粒子通過(guò)靜電作用吸附在摻雜量子點(diǎn)的二氧化硅納米微球表面，構(gòu)成了一個(gè)FRET體系.當(dāng)體系中存在三聚氰胺時(shí)，三聚氰胺中的氨基與金納米粒子共價(jià)結(jié)合，從而降低了量子點(diǎn)與金納米粒子之間的FRET效率，導(dǎo)致量子點(diǎn)熒光增強(qiáng).相比量子點(diǎn)與金納米粒子組成的FRET傳感器（檢測(cè)限5.3 nM），這種體系的檢測(cè)限（0.9 nM）幾乎提高了50倍.

1.6 在蛋白質(zhì)檢測(cè)中的應(yīng)用

蛋白質(zhì)的靈敏檢測(cè)在疾病早期診斷、治療以及藥物篩選等應(yīng)用中至關(guān)重要[18].基于FRET的熒光傳感器已經(jīng)成功地用于蛋白質(zhì)檢測(cè).2010年美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室生物分子研究中心Prasuhn等[19]利用修飾熒光染料的量子點(diǎn)，合成了基于FRET的能夠監(jiān)測(cè)酶活性的傳感器，展示了其監(jiān)測(cè)生物過(guò)程的巨大潛力.2012年華南理工大學(xué)Liu等[20]以量子點(diǎn)為能量受體，有機(jī)熒光染料為供體，構(gòu)建了檢測(cè)人類(lèi)甲胎蛋白的FRET傳感器，為癌癥的發(fā)現(xiàn)提供了一種有效的工具.

1.7 在生物成像中的應(yīng)用

熒光成像是實(shí)時(shí)的、無(wú)創(chuàng)監(jiān)測(cè)的、具備高時(shí)空分辨率的生物分子技術(shù)之一.熒光探針是非常重要的生物成像工具.基于FRET的熒光探針，由于不受探針濃度、探針環(huán)境和激發(fā)強(qiáng)度的干擾，在生物細(xì)胞和醫(yī)學(xué)診斷成像中發(fā)揮了巨大的作用[21]。美國(guó)加州大學(xué)Albers和Takakusa等[22-23]較為全面地綜述了FRET熒光探針在生物成像中的應(yīng)用.2011年湖南大學(xué)Yuan等[24]構(gòu)建了一種FRET熒光成像平臺(tái)，它主要由羅丹明B、氟硼熒和哌啶基組成.哌啶基連接的羅丹明B和氟硼熒能夠與細(xì)胞中的半胱氨酸相互作用，產(chǎn)生FRET效應(yīng)，導(dǎo)致羅丹明B的熒光淬滅和氟硼熒的熒光增強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)胞成像.

2 基于NSET的納米傳感器

FRET是當(dāng)前最活躍的研究領(lǐng)域之一，但是FRET存在著許多嚴(yán)重缺陷，比如供受體之間的空間距離較短和偶極-偶極空間相對(duì)取向的限制等.為了克服這些缺陷，人們提出了另外一種類(lèi)似FRET的機(jī)制，即NSET.

2.1 NSET的機(jī)理

NSET是供體偶極電磁場(chǎng)與金屬導(dǎo)帶離域電子之間相互作用的過(guò)程.與FRET相比，NSET的獨(dú)特之處在于：①NSET有更大的有效作用距離，其能量轉(zhuǎn)移效率與距離的關(guān)系從FRET的1/R6變成1/R4（R為空間距離）[25]，使得NSET可以作為一種長(zhǎng)距離測(cè)量的光譜尺；②NSET不需要供受體之間發(fā)生共振電子轉(zhuǎn)移；③NSET的能量受體是納米粒子表面，在幾何學(xué)上是各向同性的偶極向量分布，因而在NSET中相同的能量受體能同時(shí)淬滅不同發(fā)射的熒光供體，方便了在一個(gè)體系中同步進(jìn)行多元淬滅分析.

2.2 在金屬離子檢測(cè)中的應(yīng)用

2007年杰克遜州立大學(xué)Darbha等[26]報(bào)道了一種小型化的基于NSET的探針，能夠快速、靈敏地檢測(cè)土壤、水和魚(yú)等樣品中低至2 nM的Hg2+，在環(huán)境監(jiān)測(cè)和食品安全中具有重大意義.2011年西弗吉尼亞大學(xué)Li等[27]構(gòu)建了基于量子點(diǎn)-DNA-金納米粒子的Hg2+探針.由于Hg2+能夠與DNA堿基中的胸腺嘧啶（T）進(jìn)行特異性結(jié)合，形成T-Hg-T配對(duì)，因此當(dāng)溶液中存在Hg2+時(shí)，量子點(diǎn)和金納米粒子通過(guò)DNA雜交相互接近，從而發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，引起量子點(diǎn)熒光強(qiáng)烈的淬滅.這種傳感器可以檢測(cè)河水中低至2 nM的Hg2+.2012年廈門(mén)大學(xué)Liu等[28]構(gòu)建了一種基于NSET的Hg2+傳感器，這種傳感器也具有較低的檢測(cè)限（2.3 nM）.

2.3 在有機(jī)化合物檢測(cè)中的應(yīng)用

2012年P(guān)andya等[29]首次利用納米姜黃色素構(gòu)建痕量TNT檢測(cè)的NSET傳感器.在這個(gè)傳感器中，缺電子TNT和富含π電子對(duì)的納米姜黃色素可以通過(guò)靜電作用形成NSET復(fù)合體，從而加速了它們之間的能量轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致納米姜黃色素的熒光顯著增強(qiáng)；并且，檢測(cè)體系中的TNT含量越高，NSET復(fù)合體的熒光強(qiáng)度越強(qiáng)，提供了一種靈敏檢測(cè)環(huán)境中TNT的方法，豐富了有效檢測(cè)爆炸物的手段.

2013年美國(guó)加州大學(xué)Kikkeri等[30]報(bào)道了一種單步分析血清中唾液酸聚糖不同成分的熒光探針，結(jié)果表明，探針能夠檢測(cè)低至微摩爾范圍內(nèi)的唾液酸聚糖，更重要的是它能夠?qū)ι镝t(yī)學(xué)樣品中唾液酸聚糖的不同組分進(jìn)行高通量的分析與定量.

2.4 在闡釋分子構(gòu)象變化中的應(yīng)用

NSET是一種有效研究分子構(gòu)象變化的光譜尺，它的應(yīng)用有助于在宏觀上詳細(xì)地闡釋許多復(fù)雜生物分子的構(gòu)象動(dòng)力學(xué).2006年美國(guó)佛羅里達(dá)州立大學(xué)Jennings等[31]發(fā)現(xiàn)NSET可以用于追蹤RNA核酶的構(gòu)象變化，在該實(shí)驗(yàn)中，RNA構(gòu)象的4種獨(dú)立狀態(tài)可以從實(shí)時(shí)熒光信號(hào)上進(jìn)行分辨.2008年印度科學(xué)培養(yǎng)協(xié)會(huì)Sen等[32]通過(guò)NSET將金納米粒子用于蛋白質(zhì)的構(gòu)象變化研究，結(jié)果顯示金納米粒子淬滅色氨酸熒光主要是通過(guò)靜態(tài)淬滅過(guò)程實(shí)現(xiàn)的.

2.5 在醫(yī)學(xué)診斷中的應(yīng)用

NSET在醫(yī)學(xué)診斷中的應(yīng)用主要是通過(guò)檢測(cè)生物標(biāo)志物和病毒等物質(zhì)實(shí)現(xiàn)的.生物標(biāo)志物是生理或疾病進(jìn)程中某一階段的“分子特征”.靈敏、準(zhǔn)確地檢測(cè)生物標(biāo)志物，有助于疾病診斷、疾病進(jìn)展的監(jiān)控以及治療效果的評(píng)估[33].2008年美國(guó)杰克遜州立大學(xué)Ray等[34]提出了一種基于NSET通過(guò)RNA選擇性檢測(cè)丙型肝炎病毒的方法.NSET也被用于構(gòu)建B型肝炎病毒探針[35].2013年廈門(mén)大學(xué)Liu等[36]展示了一種基于熒光染料（RBITC）和金納米粒子（AuNPS）的前列腺抗原探針，該探針具有許多優(yōu)異性能如較高的靈敏性（檢測(cè)限為0.032 pg/mL）、高生物親和性及穩(wěn)定性等.

3 基于CRET的納米傳感器

FRET和NSET在生物、環(huán)境和化學(xué)等領(lǐng)域中具有廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景.然而，任何熒光技術(shù)都有其自身難以避免的缺陷，比如染料的熒光漂白、易受生物系統(tǒng)自體熒光的干擾、供受體需要外部同步激發(fā)等[37].這些缺陷嚴(yán)重地限制了FRET和NSET的應(yīng)用范圍.在這種背景下，CRET由于無(wú)需外部激發(fā)，引起了人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注.

3.1 CRET的機(jī)理

CRET是熒光供體通過(guò)偶極與偶極之間的相互作用將能量傳遞至受體的過(guò)程[38].與FRET和NSET相比，CRET也是一種發(fā)生在短距離內(nèi)的非輻射能量轉(zhuǎn)移過(guò)程，供受體之間的空間距離和波譜重疊程度對(duì)CRET的能量轉(zhuǎn)移效率有著顯著的影響.但是CRET的熒光來(lái)自底物的光化學(xué)反應(yīng)，這極大地降低了對(duì)外部激發(fā)的依賴.

3.2 在生物分子（DNA、ATP和蛋白質(zhì)）檢測(cè)中的應(yīng)用

CRET檢測(cè)平臺(tái)在生物樣品分析中的應(yīng)用具有廣闊的前景.2009年青島科技大學(xué)Zhang等[39]報(bào)道了一種基于CRET和DNA分子信標(biāo)的ATP三磷酸腺苷探針，展示了其較好的選擇性和較低的檢測(cè)限（110 nM）. 2011年以色列耶路撒冷希伯來(lái)大學(xué)Willner等[40]構(gòu)建基于量子點(diǎn)、熒光胺和G-四鏈體DNA（富含鳥(niǎo)嘌呤G的DNA）的CRET傳感器，并在DNA和ATP檢測(cè)方面發(fā)揮了重要的作用.當(dāng)向檢測(cè)體系加入血紅素和特異性適體底物（如DNA）時(shí)，連接在量子點(diǎn)表面的DNA能夠折疊成量子點(diǎn)-血紅素-G四鏈體復(fù)合結(jié)構(gòu).這種復(fù)合結(jié)構(gòu)能夠在熒光胺和雙氧水緩沖溶液中產(chǎn)生CRET作用，導(dǎo)致熒光胺熒光降低和量子點(diǎn)熒光增強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)DNA的比率檢測(cè).更值得關(guān)注的是，通過(guò)改變G四鏈體DNA序列，同樣的方法便可以用于檢測(cè)ATP.

基于CRET的熒光探針也被用于蛋白質(zhì)檢測(cè). 2011年同濟(jì)大學(xué)Huang等[41]以金納米粒子作為能量受體，開(kāi)發(fā)了基于CRET的α-甲胎蛋白探針，實(shí)現(xiàn)了對(duì)血清中低至2.5 ng/mL的α-甲胎蛋白的靈敏檢測(cè). 2012年青島科技大學(xué)Bi等[42]也報(bào)道了一種基于氧化石墨烯的CRET傳感器，這種傳感器能通過(guò)CRET高選擇性和靈敏地檢測(cè)DNA（H1V1）和蛋白質(zhì)（凝血酶）.

3.3 在金屬離子檢測(cè)中的應(yīng)用

2011年以色列耶路撒冷希伯來(lái)大學(xué)Freeman等[43]展示了一種基于化學(xué)發(fā)光的Hg2+探針，該探針主要包括量子點(diǎn)和核酸DNA.其中，DNA分別由富含鳥(niǎo)嘌呤（G）的辣根過(guò)氧化物酶亞基（I和II）和用于Hg2+識(shí)別的胸腺嘧啶（T）位點(diǎn)（III和IV）構(gòu)成.探針體系中沒(méi)有Hg2+時(shí)，盡管III和IV亞基含有部分互補(bǔ)序列，I和II亞基也不能組裝成穩(wěn)定的G-四鏈體結(jié)構(gòu).隨著Hg2+的加入，III和IV部分亞基可以形成T-Hg-T配對(duì)，從而使I和II之間形成的血紅素/G-四鏈體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定.這種穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)能夠促進(jìn)H2O2和熒光胺的氧化，產(chǎn)生化學(xué)熒光，最終通過(guò)CRET作用使連接在DNA上的量子點(diǎn)熒光增強(qiáng).相比上文提到的基于NSET的Hg2+探針[27]，這種探針的檢測(cè)限也是nM級(jí)別，但是它無(wú)需外部能量激發(fā)，因而使檢測(cè)過(guò)程更加快速.

2012年廣西師范大學(xué)Qin等[44]描述了一種檢測(cè)Ag+的方法，該法基于化學(xué)發(fā)光與熒光三元復(fù)合物（熒光素、菲羅啉和銀離子）之間形成的化學(xué)熒光共振能量轉(zhuǎn)移，可以靈敏地檢測(cè)水中50 nM的Ag+.

3.4 在免疫分析中的應(yīng)用

CRET已被廣泛的用于免疫分析.2011年廣西師范大學(xué)Zhao等[45]將CRET引入免疫反應(yīng)中，提高了微流體免疫檢測(cè)的靈敏度.2012年Zhao等[46]設(shè)計(jì)了一種基于CRET的傳感器，用于人類(lèi)免疫球蛋白G（IgG）分析.用標(biāo)記三羊抗體免疫球蛋白G的辣根過(guò)氧化物酶修飾磁性納米微球，然后將磁性納米微球與標(biāo)記IgG的異硫氰酸熒光素（FITC）孵育，從而獲得FITC-抗原-抗體-磁性納米微球免疫復(fù)合物.當(dāng)向體系中加入化學(xué)熒光緩沖溶液（包含熒光胺和雙氧水），能量就會(huì)立刻從熒光胺傳遞至磁性納米微球表面的FITC，由于CRET作用，F(xiàn)ITC 525 nm處的熒光顯著增強(qiáng).這種方法可以超靈敏檢測(cè)血清中2.9×10-11M的IgG.

基于石墨烯納米片和化學(xué)發(fā)光供體的CRET方法也被用于C反應(yīng)蛋白（CRP）的均相免疫分析[47].當(dāng)傳感器中存在CRP時(shí)，修飾特異性抗體的石墨烯納米片可以通過(guò)CRP與標(biāo)記辣根過(guò)氧化物酶（HRP）的抗體相連，從而構(gòu)成了一個(gè)緊密的三元復(fù)合體.復(fù)合體中的HRP能夠催化石墨烯周邊的熒光胺產(chǎn)生熒光，并通過(guò)CRET作用使石墨烯的熒光增強(qiáng).這種方法為其他抗原-抗體免疫蛋白的檢測(cè)提供了新的思路.

4 結(jié)束語(yǔ)

基于能量轉(zhuǎn)移（FRET、NSET和CRET）的熒光納米傳感器設(shè)計(jì)及其在基礎(chǔ)理論和實(shí)際中的應(yīng)用是近年來(lái)生物化學(xué)研究的熱點(diǎn).目前，這些傳感器已經(jīng)為高靈敏、快速、低成本的生物檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、疾病診斷、細(xì)胞成像、化合物分析和分子相互作用機(jī)制研究等提供了強(qiáng)大的工具.然而，它們?cè)趯?shí)際中的應(yīng)用仍然處于萌芽時(shí)期，并且由于受到許多因素的影響，如外源物質(zhì)的細(xì)胞毒性、生物的自體熒光、染料的熒光漂白、外源性酶的干擾以及復(fù)雜的生物環(huán)境等，使得用于生物體的高靈敏性和特異性的熒光納米傳感器的開(kāi)發(fā)面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn).因此，還需要對(duì)能量轉(zhuǎn)移機(jī)制進(jìn)行深入的探究.相信在不久的將來(lái)，這些傳感器將在生物標(biāo)志物發(fā)現(xiàn)、疾病早期檢測(cè)與診斷、生物成像和體內(nèi)藥物輸送等生物、化學(xué)領(lǐng)域作出更大的貢獻(xiàn).

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Recent advances in fluorescent nanosensors based on energy transfer

TIAN Li，HAN Xin，ZHANG Ji-mei
（School of Environment and Chemical Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

The latest researches of three common spectroscopic techniques in fluorescent nanosensor which include fluorescence resonance energy transfer（FRET），nanomaterials surface energy transfer（NSET）and chemical fluorescence resonance energy transfer（CRET）are reviewed from the arpects of nucleic acid analysis，cell imaging，environmental monitoring，researches of biometric processes and so on.Finally，a tentative outlook on future developments of biomarker discovery，disease detection and diagnosis，biological imaging，drug delivery in biological and chemical field is given.

fluorescent nanosensor；FRET；NSET；CRET

TB383

A

1671-024X（2013）06-0049-06

2013-07-11

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（21106101）；天津市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（12JCZDJC29500，13JCQNJC06300）

田力（1988—），男，碩士研究生

張紀(jì)梅（1958—），女，博士，教授，碩士生導(dǎo)師.E-mail：zhangjimei6d311@163.com