L-半胱氨酸光学传感器研究与应用.pdf

第 42 卷第 4 期2 0 2 2 年 1 2 月Vol.42，No.4Dec.2022化学传感器CHEMICAL SENSORSL-半胱氨酸光学传感器研究与应用邓威森1，肖国强1，袁 俊1，张慢乐2*，吴 玲1，曹 忠1*（1.长沙理工大学化学化工学院，电力与交通材料保护湖南省重点实验室，细胞化学湖南省重点实验室，长沙410114）（2.重庆市计量质量检测研究院，重庆401123）摘 要：L-半胱氨酸（L-Cys）是含巯基的小分子氨基酸之一，在许多生理和病理过程中发挥关键作用，监测 L-Cys 水平对临床诊断和了解人体必要的生理过程至关重要。因此，开发准确、简单、快速的 L-Cys检测方法受到研究者们的广泛关注。该文介绍了近年来光学传感器在检测 L-Cys 中的应用，着重介绍了不同种类纳米材料构建的 L-Cys 比色传感器与不同分子探针构建的 L-Cys 荧光传感器，并对比了不同比色传感器与不同荧光传感器的检测性能。关键词：L-半胱氨酸；比色传感器；荧光传感器；纳米材料；分子探针；应用Research and application on developing colorimetric and fluorescent sensors for L-cysteineDeng Wei-sen1,Xiao Guo-qiang1,Yuan Jun1,Zhang Man-le2*,Wu Ling1,Cao Zhong1*（1.Hunan Provincial Key Laboratory of Materials Protection for Electric Power and Transportation&Hunan Provincial Key Laboratory of Cytochemistry,School of Chemistry and Chemical Engineering,Changsha University of Science and Technology,Changsha 410114，China）（2.Chongqing Academy of Metrology and Quality Inspection,Chongqing 401123，China）Abstract:L-cysteine(L-Cys)is one of the small sulfhydryl-containing amino acids that plays a key role in many physiological and pathological processes,which is essential on monitoring L-Cys levels for clinical diagnosis and understanding of physiological processes in the human body.Therefore,the development of accurate,simple,and rapid L-Cys assays has received a lot of attention from researchers.This paper introduces the application of optical sensors in the detection of L-Cys in recent years,focusing on L-Cys colorimetric sensors constructed by different kinds of nanomaterials and L-Cys fluorescent sensors constructed by different molecular probes,and comparison with the detection performance of different colorimetric sensors and different fluorescent sensors.Key words:L-cysteine;colorimetric sensors;fluorescent sensors;nanomaterials;molecular probes;applications基金项目：国家自然科学基金(31527803)、湖南省自然科学基金(2020JJ40559)、湖南省教育厅科学研究项目(21A0182,21C0195)、长沙理工大学大学生创新创业训练计划（No.2022-0165）.共同第一作者,*通讯联系人,张慢乐，,曹忠，0 引言L-半胱氨酸（L-Cys）是一种含硫氨基酸，是多种蛋白质和酶的重要成分，在生物系统中具有重要作用，该氨基酸在人体内执行重要的生物反应过程，如蛋白质折叠、生物催化、翻译后修饰、对外源异物的结合与解毒1。细胞内 L-Cys 浓度通常在 30-200 mol/L 左右2。研究表明，许多严重的疾病如心脏病、败血症、类风湿关节炎、HIV、艾滋病、帕金森病、阿尔茨海默病等都与 L-Cys 的浓度有关3，L-Cys 缺乏可引起毛发脱色、水肿、肝损伤、嗜睡和皮42 卷10化 学 传 感 器肤损伤等多种异常情况，L-Cys 水平升高会导致冠状动脉和血管疾病4。因此，监测人体 L-Cys水平对人体健康以及生理活动分析具有重要意义。目前，已经发展了许多检测方法用于检测L-Cys，如：高效液相色谱5、气相色谱6、毛细管电泳7、共振光散射技术8、电化学方法9、荧光分析法10和比色法11。其中高效液相色谱、气相色谱、毛细管电泳、共振光散射等方法具备高精度、良好的灵敏度与选择性好，但由于其仪器操作复杂，样品的预处理，需要有专业技能的人员进行操作，无法实现快速、方便的检测，因此研究人员长期致力于开发高效、快速、简便、即时、高灵敏的 L-Cys 检测方法。光学传感方法如比色法与荧光分析法因其灵敏度高、响应快、实现简单、成本效益高、可实时检测、非侵入性以及对生物样品的良好兼容性而在生物传感领域得到广泛应用，其中包括在 L-Cys 检测方面12。近年来，用于检测 L-Cys 的比色传感器与荧光传感器已有许多报道。1 比色传感器目前，比色检测 L-Cys 的原理主要可分为两种：（1）基于金属 NPs 的局部表面等离子体共振（LSPR）效应，当金属 NPs 被波长大于纳米颗粒大小的光（如可见光）照射时，其表面的自由电子会发生振荡13。LSPR 效应很大程度上取决于金属 NPs 的组成、大小和形状，以及环境特征，如周围介质的折射率14。因此，LSPR 效应的变化使金属 NPs 消光光谱呈现不同的吸收和散射效率，从而导致胶体溶液的明显颜色变化15。在 L-Cys 的检测中，利用-SH 和金属 NPs 之间的相互作用，引发金属 NPs 之间交联聚集并导致颜色变化。（2）基于纳米酶的模拟酶活性的级联检测，利用纳米酶催化底物产生活性氧自由基（ROS），ROS 会进一步氧化有机显色剂（TMB、OPD、ABTS）形成偶联，偶联后的产物在可见光区一定吸收波长处产生吸收值，当体系中加入 L-Cys 时会抑制有机显色剂偶联，从而通过吸收值的变化来反映体系中 L-Cys含量。基于以上两种检测原理，研究人员已开发多种纳米材料用于构建检测 L-Cys 的比色传感器，其中包括：铁基纳米材料16,17、贵金属纳米材料18,19、碳纳米材料20,21、金属硫化物22,23、金属有机框架24,25等。1.1 铁基纳米材料铁基纳米材料因其环境友好、成本低廉及独特磁性与化学活性等优点而备受关注，在许多领域具有广阔的应用前景26。自 2007 年发现 Fe3O4纳米颗粒具有类似过氧化物酶活性以来27，许多具备模拟酶活性的铁基纳米材料被开发应用，目前，一些具备模拟酶活性铁基纳米材料被用于 L-Cys 的比色检测体系，如 Chen等开发一种简单的聚合物辅助热化学还原方法，制备具有类过氧化物酶活性的超顺磁性 Fe3O4纳米纤维，所制备的 Fe3O4纳米纤维比商用 Fe3O4纳米颗粒具有更高的催化活性16。稳态动力学分析结果表明，所制备的 Fe3O4纳米纤维对 3,3,5,5-四 甲 基 联 苯 胺（TMB）和 H2O2底物具有较高的亲和力，基于优异的催化活性建立了 L-Cys 比色检测平台，检测范围为 2-10 mol/L，检测限低至 0.028 mol/L。这项工作为超顺磁性 Fe3O4纳米纤维的制备提供了一种新颖的方法，并展示了其在生物传感、环境监测和医疗诊断等领域的潜在应用前景。Murape 等人采用一步溶剂热法制备了银四氧化三铁核壳复合材料（AgNPsFe3O4）17。其催化性能优于Fe3O4纳米颗粒，所合成的复合材料能够氧化无色的邻苯二胺（OPD）为黄色的 2,3-二氨基苯胺（DAP），比单独的 Fe3O4具有更好的类过氧化物酶活性，稳态动力学实验也表明 AgNPsFe3O4纳米复合材料对底物具有很强的亲和力。因此，基于 L-Cys 对纳米复合材料过氧化物酶活性的阻碍作用，形成了一种检测 L-Cys 比色传感器，其线性范围为 0-20 mol/L，检测限低至 87 nmol/L，而且该传感器对潜在的干扰分子表现出良好的选择性。1.2 贵金属纳米材料贵金属纳米材料在纳米尺度具有独特的光学、电学性质及优异的催化性能,是一类重要的功能纳米材料28。基于贵金属纳米材料的局部表面等离子体共振（LSPR）效应与纳米酶活性研究是贵金属纳米材料在生物医学领域的一个前沿研究方向，其中研究最广泛的贵金属纳邓威森等：L-半胱氨酸光学传感器研究与应用114 期米材料如金纳米粒子（AuNPs），在 L-Cys 比色检测领域已有许多研究，Venkatachalam 利用壳聚糖稳定 AuNPs 并构建检测 L-Cys 的比色传感器18。由于 AuNPs 的局部表面等离子体共振（LSPR）效应，具有-NH2和-SH 的 L-Cys 分子与 AuNPs 配位交联，引起 AuNPs 的聚合并产生颜色变化。以此所构建的比色传感器检测L-Cys 的线性范围为 0.130 mol/L，检测限为0.1 mol/L，在 1 万倍浓度干扰物（谷胱甘肽、蛋氨酸和同型半胱氨酸等）存在下，该传感器对 L-Cys 仍具有较高的选择性。此外，Chen 等人利用碘包覆 AuNPs 的类过氧化物酶活性，建立了一种检测 L-Cys 的比色传感器19（图 1）。所合成的 AuNPs 表现出协同效应，具体表现为碘包覆 AuNPs 表现出类过氧化物酶活性，而游离 AuNPs 和碘单独具有弱催化性能。因此，碘封端的 AuNPs 具有良好的类酶活性并可直接将 3,3,5,5-四甲基联苯胺（TMB）氧化。当溶液中有 L-Cys 时，L-Cys 通过金-硫醇键与 AuNPs 结合，抑制 AuNPs 的催化活性，导致氧化的 TMB 减少。基于此构建的检测 L-Cys 比色传感器线性范围为 0.5-20 mol/L，检测限为 0.5 mol/L，该方法可用于检测稀释的人尿中的半胱氨酸。图 1 具有过氧化物酶活性的碘封端 AuNPs 用于构建检测 L-Cys 的比色传感器示意图Fig.1 Schematic diagram of iodine-capped AuNPs with peroxidase activity for the construction of a colorimetric sensor for the detection of L-Cys除 AuNPs 外，其他贵金属纳米粒子如 Pt、Ag 及其合金 NPs 等也被开发用于比色检测L-Cys，Jiang 等人合成了类红毛丹结构的 CuAu/Pt 和 CuAg/Pt 纳米复合材料，所合成的纳米复合材料具有类似过氧化物酶活性29。稳态动力学实验表明，CuAu/Pt 对 H2O2表现出很强的亲和力，而 CuAg/Pt 对 TMB 表现出很强的亲和