張?zhí)鹛穑?張 閩

（華東師范大學(xué) 化學(xué)與分子工程學(xué)院, 上海, 200241）

基于模式識別的交叉響應(yīng)傳感陣列是化學(xué)/生物傳感的發(fā)展趨勢之一。傳統(tǒng)的生物傳感基于“鎖鑰模式”原則，通過巧妙的設(shè)計來建立具體的反應(yīng)機理，使用一種傳感器特異性檢測一個靶標(biāo)物。此類傳感器往往需要大量而繁瑣的合成工作，并且難以實現(xiàn)對多種分析物的大規(guī)模檢測和識別。如何消除和克服干擾物種的影響更是其主要問題，尤其是當(dāng)遇到一組結(jié)構(gòu)或物理化學(xué)性質(zhì)相似的分析物時，基于“鎖鑰模式”的檢測結(jié)果可能會表現(xiàn)出假陽性。受哺乳動物嗅覺和味覺系統(tǒng)的啟發(fā)[1]，使用一系列非選擇性傳感器構(gòu)筑“化學(xué)舌”的策略是解決以上問題的有效方法之一。通過傳感元件與分析物之間的相互作用產(chǎn)生差異化指紋響應(yīng)模式，結(jié)合機器學(xué)習(xí)與數(shù)據(jù)分析，使用極簡方法來實現(xiàn)對多種分析物高精度、高通量的模式識別[1-3]。

設(shè)計或選擇識別元件是發(fā)展“化學(xué)舌”的重點。最受歡迎的主要是有機分子以及功能納米材料。納米材料由于其極小的特征尺寸和極大的比表面積，具有優(yōu)異的理化性質(zhì)，因此可以很方便地與配體相互作用或修飾形成響應(yīng)-識別共軛結(jié)構(gòu)，在開發(fā)新的生物傳感器方面具有很大的優(yōu)勢和吸引力[4-5]。有機功能分子是作為配體化合物的首要選擇，有機分子結(jié)構(gòu)變化可以部分引起熒光或可見吸光度的變化，光學(xué)性質(zhì)易于讀出，并且可以提供額外的化學(xué)“把手”作為后續(xù)分析物的結(jié)合位點。有機染料作為最經(jīng)典的傳感和成像探針，非常適合用于傳感陣列的設(shè)計[6-7]。卟啉是一類具有豐富配位能力和光學(xué)性質(zhì)的雜環(huán)大環(huán)化合物，在材料[8]、醫(yī)藥[9]、催化[10]和生物傳感[11]等諸多領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，是潛在的作為生物傳感器的配體。無機納米顆粒結(jié)合有機分子也促進了新型傳感陣列的發(fā)展，其主要的反應(yīng)機制包括熒光共振能量轉(zhuǎn)移(fluorescence resonance energy transfer, FRET)、金屬-配體相互作用和等離子體誘導(dǎo)的熒光猝滅。本文將介紹2 個關(guān)于卟啉分子與功能納米材料復(fù)合物構(gòu)筑傳感陣列用于模式識別的應(yīng)用實例。

鑭系上轉(zhuǎn)換納米粒子(lanthanide-doped upconversion nanoparticles, Ln-UCNPs)能夠基于雙光子或多光子機制將近紅外長波長輻射轉(zhuǎn)化為可見光短波長熒光，具有發(fā)射峰窄、光漂白低、斯托克斯位移大等優(yōu)點[12]?；贚n-UCNPs 的熒光傳感分析主要依賴FRET 機理。如圖1(a)所示，一種商用卟啉水合物(四苯基卟啉四硫酸水合物，tetraphenylporphyrin tetrasulfonic acid hydrate，TPPS)可以組裝到Ln-UCNPs 上，構(gòu)建有機/無機雜化復(fù)合物(TPPS/Ln-UCNPs)，TPPS 中含有4個磺酸基，可與Ln-UCNPs 表面的鑭系離子配位。在酸性緩沖條件下，TPPS 通過鑭系/磺酸基配位和靜電作用與Ln-UCNPs 結(jié)合形成有機/無機雜化結(jié)構(gòu)(TPPS/Ln-UCNP)，導(dǎo)致TPPS(受體)和Ln-UCNPs(供體)之間發(fā)生FRET 從而猝滅Ln-UCNPs 的上轉(zhuǎn)換熒光。一些具有更強配位特性的配體，如三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)可以通過競爭的方式取代TPPS，從而誘導(dǎo)FRET的阻斷和Ln-UCNPs 的熒光恢復(fù)。我們利用TPPS 和磷酸鹽化合物(phosphate compounds,PCs)之間的競爭機制，開發(fā)了一種新型的pH 調(diào)節(jié)TPPS/Ln-UCNPs 比色/熒光雙模式傳感陣列，用于PCs 的模式識別。TPPS/Ln-UCNPs 傳感陣列具有低成本、響應(yīng)快速、靈活性和易于操作的特點，能夠成功識別出包括焦磷酸、三磷酸腺苷、三磷酸鳥苷等具有重要生物意義的14 種PCs，具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性，在實際應(yīng)用(如PCs 相關(guān)疾病的無創(chuàng)診斷)中具有很大的前景[13]。

圖1 基于卟啉與納米材料復(fù)合物的傳感陣列的設(shè)計及模式識別應(yīng)用[13,18]Fig. 1 Designing sensor arrays based on porphyrin/nanomaterial conjugates and their application in pattern recognition[13,18]

作為一種重要的熒光納米材料，碳點(carbon dots, CDs)具有合成路線簡便、細(xì)胞毒性低、光學(xué)性能優(yōu)異、便于表面功能化等一系列優(yōu)良特性，在生物傳感[14]、生物成像[15]、光催化[16]以及藥物傳遞[17]等方面應(yīng)用廣泛。將CDs 與有機組分形成的無機/有機雜化超粒子(supraparticles, SPs)，可以有效地整合有機和無機成分的優(yōu)勢。如圖1(b)所示，我們構(gòu)建了基于碳點/卟啉[5,10,15,20-四(4-羧基苯基)卟啉]超粒子(CD/TCPP SPs)的新型熒光傳感平臺，以識別多種重金屬離子和硫醇[18]。以聚乙烯亞胺和葉酸分別作為鈍化劑和碳源，采用一步水熱碳化法制備了帶正電荷的CDs。TCPP 具有4 個羧基，在一定的堿性環(huán)境下能與帶正電荷的CDs 配位，形成由靜電相互作用和π-π 疊加相互作用增加的CDs/TCPP SPs。CDs/TCPP SPs 實現(xiàn)了碳點和卟啉分子熒光性質(zhì)的整合，創(chuàng)新性地僅采用一種碳點/卟啉超分子，將其2 個熒光峰強度分別作為識別元件構(gòu)筑傳感陣列。我們選取了Hg2+、Cu2+、Co2+等11 種金屬離子作為分析物，由于金屬離子與SPs 之間配位相互作用不同，11 種金屬離子表現(xiàn)出不同的熒光響應(yīng)，可以通過主成分分析進一步識別。此外，硫醇與Cu2+有很強的結(jié)合傾向，從而易于捕獲Cu2+來復(fù)原受Cu2+影響的CDs/TCPP的熒光，進一步證明了CDs/TCPP-Cu2+可以用于包括半胱氨酸對映體的手性識別在內(nèi)的7 種硫醇的模式識別。

我們在傳感陣列的設(shè)計、識別機理以及檢測對象等方面進行了大量的工作，以卟啉分子和納米材料復(fù)合物構(gòu)建傳感陣列，成功識別了與臨床有關(guān)的磷酸化合物、金屬離子以及生物硫醇等物質(zhì)[13,18]，期望在醫(yī)療早期診斷等實際應(yīng)用中發(fā)揮作用。我們的工作避免了復(fù)雜的多傳感探針合成，為有機/無機雜化結(jié)構(gòu)在生物傳感中的光學(xué)性能調(diào)控提供了1 種新的策略，期望能拓寬其在生物傳感領(lǐng)域的應(yīng)用。