Zn2+-胆红素络合物的超快激发态动力学研究

胆红素(Bilirubin, BR)是脊椎动物分解代谢血红素的最终产物之一,具有抗氧化和消炎等作用。体内保持正常含量的胆红素对人类的健康起着非常重要的作用,被认为有利于预防癌症、中风、糖尿病和心血管等疾病的发生[1-2]。然而胆红素过量则被认为是肝功能障碍的征兆,同时也是引起新生儿严重脑损伤的原因[3]。因此,对人体中胆红素含量的快速精准检测具有十分重要的应用价值。目前为止,用于检测血清样品中胆红素含量的方法主要有重氮法、过氧化物酶法、光纤传感检测法和荧光光谱法等[4]。其中,荧光光谱法具有检测迅速和操作简便的优势[5],吸引了越来越多研究人员的关注。但是,由于胆红素自身的荧光量子产率通常低至10-4量级[6],直接荧光测量难度很大,因此通常采用间接方式解决胆红素含量测量的难题。例如, Wabaidur等[7]通过胆红素猝灭Ru(bopy)2+₃荧光的方式来测量胆红素的含量;Aparna等[8]通过胆红素猝灭铜纳米团簇荧光的方式来测量胆红素的含量;Iwatani等[9]通过UnaG蛋白结合胆红素增强荧光的方式来测量胆红素的含量。UnaG与胆红素具有极高的亲和力,且自身几乎不发射荧光,其与胆红素结合后,会将胆红素的荧光提高三个数量级[10],可以用作人体内的荧光传感器[11]。然而,由于蛋白的制备和保存的成本十分高昂,人们更希望使用有机小分子或无机分子对胆红素的荧光进行增强。例如,Yang等[12]发现Zn2+有助于显著增强胆红素的荧光,Kotal等[13]提出了将Zn2+用于胆红素代谢物（尿胆素原）含量测量的方法。为了研究Zn2+增强胆红素荧光的机理并用于胆红素含量的测量,研究首先使用了稳态荧光光谱和紫外-可见吸收光谱表征了不同Zn2+浓度下胆红素的光学特性,并采用相对法测量了其量子产率。通过分析Zn2+-胆红素络合物在不同探测波长下的激发谱,提出了该络合物具有两个发光基团的设想。为了进一步验证关于发光基团的设想,使用了飞秒瞬态吸收光谱的手段研究分析了Zn2+-胆红素络合物的超快光动力学过程,分析结果与之前发表的对胆红素和Zn2+配位方式的结论有很好的吻合。根据瞬态吸收光谱和稳态荧光光谱的数据以及所提出的模型,得到了在有无Zn2+条件下胆红素的平均激发态寿命,进一步计算出了其辐射跃迁速率和非辐射跃迁速率的理论值。通过数据对比,得出了络合物相对单纯胆红素有更大的消光系数而具有更高的辐射跃迁速率的结论,同时发现胆红素与Zn2+的配位方式增加了胆红素以锥型交叉退激发态的效率。     

基于胆红素荧光增强效应的锌离子探针特性研究

锌离子Zn^2+对胆红素BR有着显著的荧光增强效应,基于该荧光特性,利用紫外可见光吸收和稳态荧光光谱技术提出了一种BR作为荧光探针用于Zn^2+浓度检测的新方法,特别是首次采用在波长663和600nm处的稳态荧光强度比值方法系统地研究了其与锌离子浓度在0~90μmol·L^-1范围内变化的关系,与常用的单波长荧光强度探测方法比较,有效地避免了探针浓度变化及激发光强度变化等非目标因素的影响。实验研究结果发现BR荧光探针对Zn^2+的识别行为在0~20μmol·L^-1范围内,探针BR的荧光强度比值I663 nm/I600 nm与Zn^2+的浓度之间具备线性增长关系,尤其是0~10μmol·L^-1有非常好的线性关系,线性相关系数r=0.999 87,同时Zn^2+检测限为0.1μmol·L^-1。在20~90μmol·L^-1范围内,荧光强度比值I663 nm/I600 nm趋于饱和。研究发现对实时检测人体内的Zn^2+具有很好的应用前景。     

含单个色氨酸的多肽分子的荧光特性研究:pH及金属离子的响应

由于金属离子包括铜离子对人体的重要性,报道了一种含单个色氨酸的新型多肽分子(WDAHSS),证明利用这种分子可以通过荧光光谱测量的方法实现铜离子灵敏检测。WDAHSS的荧光由其包含的色氨酸残基的本征荧光贡献,易被铜离子猝灭。通过分析铜离子在不同pH值条件下与WDAHSS作用的荧光光谱并与单个色氨酸分子的光谱相比较,详细研究了铜离子猝灭WDAHSS荧光的机理。研究表明,WDAHSS结构中的组氨酸通过金属配位与铜离子作用,并联合肽键形成稳固的四方形平面结构,螯合铜离子,致使色氨酸残基发生荧光猝灭。同时详细讨论了不同pH值环境对WDAHSS荧光光谱的影响。通过荧光光谱测量和数值拟合,推测了WDAHSS和铜离子的结合常数。为了增强WDAHSS抗pH干扰的能力,特意对其氨基端乙酰化,在生理pH值范围内稳定了其荧光发射。此外,WDAHSS也采用了一些特殊设计的结构,很好地增强了它对铜离子灵敏探测的特异选择性和生物相容性。对WDAHSS的进一步研究有望用于生物体内或细胞内荧光成像检测。     

利用新型荧光银纳米团簇实现谷胱甘肽的快速精确检测

谷胱甘肽(GSH)是一种含有巯基的三肽分子,参与许多细胞内生化过程,具有抗氧化和整合解毒功能,在生物体内以及医学,食品等领域有着极为重要的作用。GSH参与细胞内、体液中的许多重要生化反应,其在人体内含量的变化,相应地提示了人体的健康问题。目前对GSH的检测手段有表面增强拉曼光谱(SERS)、电化学分析、高效液相色谱(HPLC)等,这些方法大都操作复杂、耗时较长或者需要昂贵的仪器。利用一种新型荧光银纳米团簇(Ag NCs)作为探针,通过同时分析银纳米团簇的荧光强度变化以及荧光峰位置移动实现了GSH的高精度快速检测。在检测过程中,GSH分子与荧光探针发生化学反应,改变了荧光探针的光化学特性,其荧光强度因发生猝灭而减弱,且其荧光峰位置因配体的改变也发生移动。通过对照组实验,我们进一步证明了所发展的检测方法对GSH目标具有很好的特异性,综合考察荧光强度和波长的变化数据可以很好地区分GSH以及其他结构类似的分子,同时探针对于多种盐离子及氨基酸等不敏感,能够很好地保证检测的准确性。我们报导的荧光探针合成步骤简单,过程绿色环保,GSH检测的响应速度快、光谱波动较小、相对误差小。进一步的研究有望实现细胞内的GSH高精度检测及成像。