Små molekylsensorer
Små molekylsensorer är ett effektivt sätt att upptäcka närvaron av metalljoner i lösning. Även om det finns många typer, innefattar de flesta sensorer för små molekyler en subenhet som selektivt binder till en metall som i sin tur inducerar en förändring i en fluorescerande subenhet. Denna förändring kan observeras i den lilla molekylsensorns spektrum , som kan övervakas med hjälp av ett detektionssystem som ett mikroskop eller en fotodiod . Olika sonder finns för en mängd olika tillämpningar, var och en med olika dissociationskonstanter med avseende på en viss metall, olika fluorescerande egenskaper och känslighet. De visar mycket lovande som ett sätt att undersöka biologiska processer genom att övervaka metalljoner vid låga koncentrationer i biologiska system. Eftersom de per definition är små och ofta kan komma in i biologiska system, är de gynnsamma för många tillämpningar för vilka annan mer traditionell bioavkänning är mindre effektiv eller inte lämplig.
Används
Metalljoner är väsentliga för praktiskt taget alla biologiska system och därför är det mycket fördelaktigt att studera deras koncentrationer med effektiva sönder. Eftersom metalljoner är nyckeln till orsakerna till cancer , diabetes och andra sjukdomar, är det av stort intresse för forskarsamhället att övervaka dem med sonder som kan ge insikt i deras koncentrationer med rumslig och tidsmässig upplösning. Det finns många tillämpningar som man kan föreställa sig för sensorer för små molekyler. Det har visat sig att man kan använda dem för att effektivt skilja mellan acceptabla och skadliga koncentrationer av kvicksilver i fisk . Dessutom, eftersom vissa typer av neuroner tar upp zink under sin operation, kan dessa sonder användas som ett sätt att spåra aktivitet i hjärnan och kan fungera som ett effektivt alternativ till funktionell MRT . Man kan också spåra och kvantifiera tillväxten av en cell , såsom en fibroblast , som tar upp metalljoner när den konstruerar sig själv. Många andra biologiska processer kan spåras med hjälp av små molekylsensorer så många ändrar metallkoncentrationer när de inträffar, som sedan kan övervakas. Ändå måste sensorn skräddarsys för dess specifika miljö och avkänningskrav. Beroende på applikationen bör metallsensorn vara selektiv för en viss typ av metall, och behöver särskilt kunna binda sin målmetall med större affinitet än metaller som naturligt finns i höga koncentrationer i cellen. Vidare bör de ge ett svar med en stark modulering i fluorescerande spektrum och därmed ge ett högt signal-brusförhållande . Slutligen är det viktigt att en sensor inte är giftig för det biologiska system där den används.
Mekanismer för detektion
De flesta detektionsmekanismer som är involverade i sensorer för små molekyler innefattar viss modulering i det fluorescerande beteendet hos avkänningsmolekylen vid bindning av målmetallen. När en metall koordinerar till en sådan sensor kan den antingen förstärka eller minska den ursprungliga fluorescerande emissionen. Den förra är känd som Chelation Enhancement Fluorescence Effect (CHEF), medan den senare kallas Chelation Enhancement Quenching Effect (CHEQ). Genom att ändra emissionsintensiteten vid olika våglängder kan det resulterande fluorescerande spektrumet dämpas, förstärkas eller förskjutas vid bindning och dissociation av en metall. Denna förskjutning i spektra kan övervakas med hjälp av en detektor såsom ett mikroskop eller en fotodiod. Nedan listas några exempel på mekanismer genom vilka utsläpp moduleras. Deras deltagande i CHEQ eller CHEF är beroende av den aktuella metall- och småmolekylsensorn.
Primära detektionsmekanismer
- Paramagnetisk fluorescenssläckning, tillåtelse av nya elektroniska tillstånd vid bindning av en paramagnetisk metallatom
- Fotoinducerad elektronöverföring (PET) , blockering av ett lägre energitillstånd på grund av bindningen av en metallatom.
- Photoinduced Charge Transfer (PCT), moduleringen av energinivåer i ett komplex genom laddningsöverföring inom ett konjugerat pi-system .
- Fluorescensresonansenergiöverföring (FRET) , överföringen av en exciton från en donator till en acceptor, som modulerar emissionsspektrumet.
- Excimer/Exciplex formation , bildandet av ett tillstånd som är en hybrid av marken och exciterade tillstånd. Detta har nya fluorescerande egenskaper.
- Kemodosimetrar, komplex som genomgår irreversibla reaktioner med andra arter när de binder en metall för att bilda nya föreningar med nya fluorescerande spektra.
Fluoroforer
Fluoroforer är avgörande för vår mätning av metallbindningshändelsen och indirekt metallkoncentrationen. Det finns många typer, alla med olika egenskaper som gör dem fördelaktiga för olika applikationer. Vissa fungerar som små metallsensorer helt på egen hand medan andra måste komplexbildas med en subenhet som kan kelera eller binda en metalljon. Rhodamin genomgår till exempel en konformationsförändring vid bindning av en metalljon. På så sätt växlar den mellan en färglös, icke-fluorescerande spirocyklisk form till en fluorescerande, rosa öppen cyklisk form. Kinolinbaserade sensorer har utvecklats som bildar luminiscerande komplex med Cd(II) och fluorescerande med Zn(II). Det antas fungera genom att ändra dess lägsta luminescerande tillstånd från n– π * till π – π * när den koordinerar till en metall. När Dansyl-gruppen DNS binder till en metall förlorar den ett sulfonamidväte , vilket orsakar fluorescenssläckning via en PET- eller omvänd PET-mekanism där en elektron överförs antingen till eller från metallen som är bunden.
Exempel
Zink
Zink är en av de vanligaste metalljonerna i biologiska system. Små molekylsensorer för det inkluderar:
- ZX1, en förening som innefattar en dipicolylamin (DPA) zinkbindande subenhet som har större affinitet för zink än andra arter som finns i lösning som Ca och Mg.
- Zinpyr-1 (ZP1), en förening som innehåller en diklorfluoresceinfluorescerande förening bunden till två 2-pikolamin (DPA)-arter som binder Zn(II). ZP1 är en del av en familj av zinksensorer som kallas Zinpyr-serien, vars medlemmar är varianter på ZP1 för att möjliggöra specifika affiniteter och fluorescensprofiler.
- ZnAF-1-sensorer som omfattar en aryldonator och en xantenonacceptor och har en stor förändring i fluorescens vid bindning av Zn(II). De har använts för att studera upptag av Zn(II) i CA3 pyramidala neuroner.
Koppar
Koppar är en biologiskt viktig metall att upptäcka. Den har många sensorer utvecklade för det inklusive:
- CTAP-1, en sensor som visar ett svar i UV-området när Cu(I) binder till ett azatetratiacrown-motiv som i sin tur exciterar ett pyrazolinbaserat färgämne som är fäst. För att använda sonden exciterar man den vid 365 nm. Om det är bundet till Cu kommer det att öka dess fluorescensintensitet. CTAP-1 är effektivt eftersom det har en stor modulering i sitt spektrum vid bindning av Cu, och är selektiv för bindning av Cu över andra metaller.
- Kopparsensor-1 (CS1) som innefattar ett tioeterrikt motiv som binder till Cu(I) och orsakar excitation av ett bor-dipyrrometen ( BODIPY ) färgämne i det synliga området. Sonden har god selektivitet för Cu(I) över alkaliska jordartsmetaller , Cu(II) och d-blockmetaller .
Järn
Järn används mycket i biologiska system, ett faktum som är välkänt på grund av dess roll i hemoglobin . För det finns det många små molekylsensorer inklusive:
- Pryrene-TEMPO, där bindningen av järn till TEMPO dämpar fluorescensen av pyren när ingen Fe(II) är bunden. Vid bindning reduceras dock TEMPO och pyren återfår fluorescens. Denna sond är begränsad genom att en analog respons kan genereras av oönskade fria radikaler , och att den endast kan användas i sur lösning.
- DansSQ, där Fe(II)-bindning ökar fluorescensen vid 460 nm. Den består av en Dansyl-grupp bunden till styrylkinolin och verkar genom att avbryta intramolekylär laddningsöverföring vid bindning av Fe(II). Den är begränsad genom att den endast är löslig i acetonitril i 10 % H 2 O.
Kobolt
Koboltsensorer har tillverkats som utnyttjar brytningen av CO-bindningar av Co(II) i en fluorescerande sond känd som Cobalt Probe 1 (CP1).
Merkurius
Kvicksilver är en giftig tungmetall , och som sådan är det viktigt att kunna upptäcka det i biologiska system. Sensorer inkluderar:
- Mercury Sensors (MS), en familj av sensorer som omfattar komplex av fluorescein och naftofluorescein. MS1-sonden ökar sin emission vid bindning av Hg(II), samtidigt som den bibehåller stor affinitet för kvicksilver över andra tungmetalljoner.
- S3-sensorn är baserad på ett BODIPY -komplex som genomgår en signifikant ökning av fluorescens vid bindning av Hg(II).
- MF1 använder en mjuk tioeterkelator för Hg(II) bundet till en fluoresceinliknande xantenonreporter. Den har bra kontrast vid bindning av kvicksilver och god selektivitet. MF1 är tillräckligt känsligt för att det har föreslagits att användas för att testa fiskar för giftiga halter av kvicksilver.