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三磷酸腺苷(ATP)作為機(jī)體最直接的能量來(lái)源,參與細(xì)胞代謝和各種生化反應(yīng),在維持大腦功能過(guò)程中扮演重要角色。在正常生理狀態(tài)下,腦內(nèi)ATP的濃度受到嚴(yán)格的調(diào)節(jié),而當(dāng)ATP濃度偏離平衡時(shí)則會(huì)引發(fā)阿爾茲海默病、帕金森病等多種腦疾病。因此,發(fā)展腦內(nèi)ATP的活體原位檢測(cè)方法對(duì)于研究相關(guān)的生理和病理過(guò)程具有重要意義。基于微電極的電化學(xué)活體分析法在腦科學(xué)研究中已做出了重要貢獻(xiàn)。
在本文中,我們將UCNPs與四甲基羅丹明(TAMRA)標(biāo)記的ATP適配體(cATP),組成熒光共振能量轉(zhuǎn)移(FRET)體系,以碲化鎘量子點(diǎn)(CdTe QDs)作為光電活性材料,共同修飾于微電極表面,構(gòu)建可近紅外激發(fā)的ATP光電化學(xué)微傳感器。該P(yáng)EC微傳感器已成功應(yīng)用于藥物誘導(dǎo)的炎癥小鼠模型中腦內(nèi)ATP的活體原位檢測(cè)。
FRET調(diào)控光電流信號(hào)的可行性
將光電材料和UCNPs組成的熒光探針依次修飾到微電極上,并測(cè)試了不同修飾電極的光電流響應(yīng)。由于CdTe QDs-MWCNTs在980 nm波長(zhǎng)處的吸收很弱,因此在980 nm的近紅外光的激發(fā)下,只有CdTe QDs-MWCNTs修飾微電極表現(xiàn)出微小的光電流信號(hào)(圖1曲線a)。當(dāng)CdTe QDs-MWCNTs和UCNPs共同修飾到微電極表面后,UCNPs/CdTe QDs-MWCNTs/微電極在含有200μmol/L AA的aCSF中表現(xiàn)出最強(qiáng)的光電流信號(hào),為315.2 nA(圖1曲線b),說(shuō)明UCNPs的發(fā)光能夠有效激發(fā)CdTe QDs并產(chǎn)生光電流信號(hào)。修飾cDNA后,cDNA/UCNPs/CdTe QDs-MWCNTs/微電極的光電流略微減小,為285.3 nA(圖1曲線c),表明cDNA在電極表面的成功修飾。將TAMRA-cATP修飾到UCNPs后,由于TAMRA對(duì)UCNPs發(fā)光的猝滅作用,TAMRA-cATP/cDNA/UCNPs/CdTe QDs-MWCNTs/微電極的光電流顯著降低,為91.3 nA(圖1曲線d)。TAMRA-cATP/cDNA/UCNPs/CdTe QDs-MWCNTs/微電極與ATP(80 nmol/L)反應(yīng)后,光電流明顯增強(qiáng),為185.5 nA(圖1曲線e)。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,ATP與適配體之間的特異性結(jié)合能夠引起光電流信號(hào)的改變。
圖1不同修飾電極的光電流大?。?a)CdTe QDs-MWCNTs/微電極;(b)UCNPs/CdTe QDs-MWCNTs/微電極;(c)cDNA/UCNPs/CdTe QDs-MWCNTs/微電極;(d)TAMRA-cATP/cDNA/UCNPs/CdTe QDs-MWCNTs/微電極;(e)TAMRA-cATP/cDNA/UCNPs/CdTe QDs-MWCNTs/微電極與ATP反應(yīng)后
傳感器對(duì)ATP的響應(yīng)研究
圖2(A)微傳感器與不同標(biāo)準(zhǔn)濃度ATP反應(yīng)后的光電流響應(yīng);(B)光電流大小與ATP濃度之間的線性關(guān)系
傳感器的選擇性研究
由于活體環(huán)境復(fù)雜,傳感器的選擇性對(duì)活體分析十分重要。因此,我們考察了活體生物環(huán)境中共存的一些結(jié)構(gòu)類似物、陰陽(yáng)離子和氨基酸等物質(zhì)對(duì)微傳感器的影響。如圖3所示,共存物質(zhì)對(duì)微傳感器的光電流信號(hào)基本沒(méi)有影響或者影響較小,當(dāng)加入ATP時(shí),光電流顯著增加,說(shuō)明該微傳感器對(duì)ATP具有很高的特異性。