حسگرهای بیولوژیکی و شیمیایی بسیار حساس

حسگرهای بیولوژیکی و شیمیایی بسیار حساس - مبتنی بر کوئنچ فلورسانس برگشت پذیر در پلیمر مزدوج

فلورسانس در پلیمر مزدوج پلی آنیونی را میتوان با غلظت بسیار کم گیرنده های الکترون کاتیونی در محلول های آبی کوئنچ کرد. در اینجا، بیان می کنیم که میزان حساسیت به کوئنچ فلورسانس درمقایسه با " حالت های هیجانی مولکولی " بیش از یک میلیون برابر شده است. با استفاده از ترکیبی از اسپکتروسکوپی حالت پایدار و فوق سریع ، اثبات کردیم که کوئنچ بالا از شکل گیری پیچیدۀ ضعیف ، به دنبال آن انتقال الکترون فوق سریع از تحریکات کل زنجیره پلیمری به کوئنچ کننده ، با ثبات زمانی 650fs به وجود آمده است. به دلیل این نوع شکل گیری، با کمک دیافراگم تشخیص کوئنچ میتوان کوئنچ کننده را بصورت انتخابی معکوس کرد. ما چنین دیافراگمی را ساخته ایم و نشان می دهیم که فلورسنت بطور کامل در اتصال بین نقطه شناسایی و پروتئین خاص آنالیز بهبود می یابد. هم در محلول ها و هم در فیلم های نازک ، این فرایند کوئنچفلورسانس برگشت پذیر زمینه را برای یک کلاس جدید از حسگرهای بیولوژیکی و شیمیایی بسیار حساس فراهم می کند.

با افزایش آگاهی از آسیب پذیری عمومی در برابر تروریسم شیمیایی و بیولوژیکی ، نیاز به تکنیک های تشخیصی با حساسیت و انتخاب بالا رو به افزایش است. این روش ها همچنین می توانند کاربردهای گسترده ای در تشخیص پزشکی و تحقیقات زیست پزشکی داشته باشند. روش های شناسایی مولکول های بیولوژیکی مانند روش جاذب ایمنی متصل به آنزیم (ELISA) با استفاده از برهمکنش های آنتی ژن آنتی بادی خاص برای اتصال آنتی ژن به یک بستر با تغییر رنگ سنجی بعدی یا سیگنال فلورسانس با افزودن معرف های ثانویه انتخاب می شوند؛ این تکنیک ها می توانند زمان بر باشند و به مراحل چندگانه نیاز دارند. رویکردهای دیگر از لیگاندهای تشخیص مولکولی برای پیوند به مکان های گیرندۀ خاص در یک گونه بیولوژیکی استفاده کرده اند؛ معمولآ بعنوان ابزاری برای تثبیت بیومولکول به یک بستر یا غشاء نیز استفاده می شود. همچنان این چالش باقی مانده است تا انتخاب ارائه شده توسط برهمکنش گیرندۀ لیگاند را به یک حسگر بسیار حساس ، قوی و همه کاره ارائه دهد. باتوجه به شکل زیر، ما اخیرآ خواص فتوفیزیکی فلورسانس در پلیمر مزدوج پلی آنیونی محلول در آب پلی متوکسی -پروپیلوکسی سولفونات فنیلن وینیلن (MPS-PPV) بعنوان یک کلاس بزرگ مرتبط با مولکول های پلی فنیلن وینیلن (PPV) را شناسایی کردیم که اخیرآ بسیار مورد توجه بوده اند.

شکل 1: ساختار شیمیایی مولکول های ارائه شده در این مطالعه

اگرچه پتانسیل شناخته شده برای استفاده از مشتقات PPV بعنوان مواد الکترونیک (برای مثال دیودهای ساطع کننده نور در حسگرهای الکتروشیمیایی ، مدارهای مجتمع) بسیار مورد توجه است ، داشتن مبنای شارژ بالا در MPS-PPV (با چگالی بار تقریبی اسیدهای پلی نوکلئیک مانند DNA و RNA) توانسته است آن را به یک مدل پلیمری برای درک برهمکنش ها و خواص خود مونتاژی در بیوپلیمرهای شارژ شده تبدیل کند. در این مقاله، این کشف قابل توجه را بیان می کنیم که استفاده از این پلیمر آنیونی فلورسانس منجر به تقویت بیش از یک میلیون برابر حساسیت به کوئنچ فلورسنت ناشی از مولکول های کوچک مزدوج با ساختار مشابه میشود. این تقویت الکترونیکی به ترکیبی از محلی سازی حالت هیجان الکترونیکی (اکسیتون) و تحرک سریع اکسیتون در امتداد زنجیره پلیمر مزدوج نسبت داده می شود. ما این تقویت را برای نشان دادن یک کلاس جدید و متنوع از حسگرهای بیولوژیکی و شیمیایی بسیار حساس (و انتخابی) مهار کرده ایم. MPS - PPV یک پلیمر محلول در آب است که وزن مولکولی آن از اندازه گیری پراکندگی نو 10⁵ × 1-5 (حدود 1000 واحد تکرار مونومر) برآورد می شود. طیف جذب و فلورسانس MPS - PPV در محلول آبی رقیق مشابه ترانس استیلبن و مشتقات آن است اما به دلیل مزدوج گسترده در پلیمر، به طول موج بلندتر منتقل می شود. کاملآ اثبات شده است که حالت های هیجان ترانس استیلبن و مولکول های مربوطه به راحتی توسط ترکیبات معطر کمبود الکترون در دو فرایند دینامیک و ایستا را فروکش می کنند. برای مثال ، فلورسانس مشتقات ترانس استیلبن را میتوان با N، N9 - دی متیل - 4 ، 49 - بی پریدینیوم (MV21) (متیل ویولوژن) و تشکیل مجتمع های " اهداء کننده - پذیرنده " نسبتآ ضعیف در حالت پایه کوئنچ کرد. براساس شکل زیر، تقویتِ حساسیت کوئنچ کننده از محلول به میسل های شویندۀ آنیونی (سدیم لائوریل سولفات) را میتوان به راحتی به اثرات " افزایش غلظت " ناشی از مونتاژ نسبت داد که در آن استیلبن و ویولوژن با ترکیبی از برهمکنش های کولنیک و انتروپیک در یک میکروفاز به گونه ای مونتاژ شده اندکه غلظت های "محلی" آنها بسیار افزایش یافته است.

شکل 2: الف: تقویت حساسیت کوئنچ فلورسانس و ب: کاربرد بیوحسگر

همانطور که ما پیش بینی می کنیم که بار منفی خالص در MPS - PPV ممکن است به راحتی MV²⁺ را در محلول آبی متصل کرده و منجر به کوئنچ بالای فلورسانس در غلظت های متوسط ویولوژن شود. همچنین میتوان گفت به این نتیجه رسیدیم که در محلول های رقیق MPS - PPV (10¯⁵ میل در واحدهای تکرار مونومر) افزودن MV²⁺ با غلظت بسیار کم منجر به تغییرات قابل توجهی در طیف جذب و کوئنچ فلورسانس آن می شود. ثبات کوئنچ کننده مربوطه (KSV)10⁷×1.7 یا تقریبآ 4 برابر بزرگتر از استیلبن در میسل و 6 مرتبه بزرگتر از آن برای محلول های رقیق استیلبن است. همانطور که با کمک نمودار استرن - ولمر در شکل زیر بیان شده است، کوئنچ تقریبآ (95 درصد) کمّی در 10¯⁷ میل ویولوژن است و همچنین به راحتی در غلظت های 10¯⁹ میل قابل تشخیص است.

شکل 3: نمودار استرن - ولمر برای کوئنچ فلورسانس 10¯⁵×1.2

در این شرایط، یک مولکول MV²⁺ بطور مؤثری در سطح تقریبآ 1000 واحد تکرار و یا یک مولکول MV²⁺ نیز در هر زنجیره پلیمر کوئنچ می شود. سایر کوئنچ کننده ها در حالت هیجان مولکولی ترانس استیلبن نیز در کوئنچ فلورسانس MPS-PPV مؤثر هستند. سطح قابل توجه کمی از ویولوژن و دیگر معرفهایی که در کوئنچ فلورسانس برای MPS-PPV نقش دارند، ممکن است است به چنین پدیده ای نسبت داده شوند که عمومآ برای حالت های هیجان مولکولی یا حتی حالت های تحریک کنندۀ سنگدانه ها مشاهده نمی شوند. برای درک بهتر این مکانیسم، سیستم با استفاده از جذب گذرا فمتوثانیه (TA) مورد بررسی قرار گرفت. تنظیمات آزمایشی مورد استفاده برای اندازه گیری TA بطور مفصل در دیگر بخش ها تفسیر شده است. ما برای اندازه گیری تغییرات انتقال، از انتقال دیفرانسیل (DT) استفاده کردیم که بعنوان DT = ( T - T₀ ) / T₀ = DT / T₀ تعریف شده است؛ در آن T₀ و T به ترتیب به معنای انتقال پرتوی پروب در حضور و عدم حضور پمپ هستند. ما در داده های مان تغییر جذب ناشی از پمپ (Δα) را ترسیم می کنیم که با بیان Δα = -1 / d ln ( 1 + DT ) مرتبط است؛ در آن d به مهنای ضخامت نمونه است.

سیستمی که در بالا توضیح داده شد (و بسیاری از تغییرات احتمالی آن) از جنبه های مختلف قابل توجه است. مؤلفه اصلی، پلیمر مزدوج یونی است که منجر به دو اثر حیاتی می شود؛ اول تقویت حساسیت کوئنچ که ما آن را در تعداد زیادی از واحد مونومر در هر زنجیره نسبت می دهیم و تحرک زیاد اکسیتون در امتداد زنجیره برای یافتن محل کوئنچ سازی . دوم، زمانی که معرف کوئنچ کننده توسط پروتئین آنالیت سلب شد، اندازه های نسبتآ بزرگ پلیمر MPS - PPV و پروتئین از ارتباط بیشتر با کوئنچ کننده جلوگیری می کنند. بنابراین، میتوان فلورسانس قوی را بطور کامل بهبود بخشید. استراتژی استفاده از مقدار نسبتآ کمی از یک مولکول شناسایی شدۀ کوئنچ کننده مانند B - MV  و MPS - PPV یا یک پلیمر مزدوج مشابه بعنوان عنصر انتقال نوری منجر به ایجاد ابزار حسگر میشود که ممکن است در غیاب معرف به طور اثربخشی در موقعیت " خاموش " باشد. طول عمر بسیار کوتاه حالت های هیجان در پلیمر کوئنچ شده بایستی در غیاب مولکول منجر به " سفید شدن عکس " نسبتآ کمی شود و بنابراین، به یک حسگر قوی تبدیل شود. حساسیت و عمومیت کوئنچ فلورسانس MPS - PPV ( و پلیمرهای مربوطه ) توسط خانواده گسترده ای از گیرنده ها و برگشت کامل آن با آنچه احتمالآ بعنوان اثر استریک در هنگام اتصال دومین عنصر شناسایی به پروتئین تفسیر می شود، نشان می دهد که رویکرد مشخص شده در اینجا ممکن است برای طیف گسترده ای از کاربردهای خاص حسگر در پروتئین ها و سایر ماکرومولکول های بیولوژیکی قابل استفاده باشد. کاربردهای بالقوه حسگر MPS - PPV و پلیمرهای مربوطه به گونه های یونی یا محلول ها محدود نمی شود. مواد معطر کمبود - الکترون و خنثی مانند 9، 10 دی سیانو آنتراسن و نیترواروماتیک در محلول های آبی در غلظت های بالاتر از MV²⁺ کوئنچ می شوند؛ اما هنوز هم در سطوحی که هیچ کوئنچ کنندۀ " پویایی " وجود ندارد، حالت فلورسنت با عمر کوتاه MPS - PPV میتواند رخ دهد. نکته قابل توجه تر اینکه، کوئنچ این ترکیبات در فیلم های جامد MPS - PPV نیز مشاهده میشود. برای نمونه، فیلم های تک لایه MPS - PPV بر روی لایه های شیشه ای با استفاده از خودمونتاژی پلی الکترولیت تهیه شد؛ این فیلم ها فلورسانس و جذب مشابه با محلول های MPS - PPV را نشان می دهند. نکته جالب توجه اینکه، قرار گرفتن این فیلم ها در معرض بخار نیترواروماتیک مانند نیتروبنزن یا دینیتروتوولوئن منجر به کوئنچ قابل توجهی در فلورسانس فیلم ها می شود.