Зонды лантаноидов - Lanthanide probes

Зонды лантаноидов являются неинвазивным[1] аналитический инструмент обычно используется для биологический и химический Приложения. Лантаноиды представляют собой ионы металлов, у которых уровень энергии 4f заполнен, и обычно относятся к элементам от церия к лютецию в периодическая таблица.[2] В флуоресценция солей лантаноидов является слабым, поскольку поглощение энергии ионом металла низкое; поэтому чаще всего используются хелатные комплексы лантаноидов.[3] Период, термин хелат происходит от греческого слова «коготь» и применяется для обозначения лигандов, которые присоединяются к иону металла двумя или более донорными атомами через дативные облигации. Флуоресценция наиболее интенсивна, когда ион металла имеет степень окисления от 3+. Не все металлы-лантаноиды можно использовать, и наиболее распространенными являются: Sm (III), Eu (III), Tb (III) и Dy (III).[3]

История

EuFOD, пример комплекса европия

С начала 1930-х годов было известно, что соли некоторых лантаноидов являются флуоресцентными.[4] Реакция солей лантаноидов с нуклеиновые кислоты обсуждалась в ряде публикаций в течение 1930-х и 1940-х годов, в которых лантан-содержащие реагенты использовались для фиксации структур нуклеиновых кислот.[3] В 1942 г. комплексы европий, тербий, и самарий были обнаружены необычные люминесцентные свойства при возбуждении УФ-излучение.[3] Однако первые окрашивание биологических клеток с лантаноидами произошло двадцать лет спустя, когда бактериальные мазки Кишечная палочка были обработаны водными растворами комплекса европия, которые при ртутная лампа освещение выглядело как ярко-красные пятна.[1] Внимание к лантаноидным зондам значительно возросло в середине 1970-х годов, когда финские исследователи предложили полиаминокарбоксилаты Eu (III), Sm (III), Tb (III) и Dy (III) в качестве люминесцентных сенсоров в иммуноанализе с временным разрешением (TRL).[1] Оптимизация аналитических методов с 1970-х годов для хелатов лантаноидов и люминесцентной микроскопии с временным разрешением (TRLM) привела к использованию зондов лантанидов во многих научных, медицинских и коммерческих областях.[1]

Методы

Существует два основных метода анализа: гетерогенный и гомогенный. Если два хелата лантаноидов используются в анализе один за другим, это называется гетерогенным анализом.[4] Первый аналит связан со специфическим связывающим агентом на твердой подложке, такой как полимер а затем другая реакция связывает первый плохо люминесцентный комплекс лантанида с новым, лучшим комплексом.[1][4] Этот утомительный метод используется потому, что второе более люминесцентное соединение не могло бы связываться без уже присутствующего первого аналита. Последующий время решено обнаружение металлоцентрированного люминесцентного зонда дает желаемый сигнал. Антигены, стероиды и гормоны обычно анализируются гетерогенными методами. Гомогенные анализы основаны на прямом связывании метки лантаноида с органическим акцептором.[1]

Релаксация возбужденных состояний молекул часто происходит за счет излучения света, которое называется флуоресценцией. Есть два способа измерения этого испускаемого излучения: в зависимости от частота (обратный длина волны ) или время.[4] Обычно спектр флуоресценции показывает интенсивность флуоресценции на разных длинах волн, но поскольку лантаноиды имеют относительно большое время затухания флуоресценции (от одной микросекунды до одной миллисекунды), можно регистрировать испускание флуоресценции с разным временем затухания при заданной энергии возбуждения при нулевое время. Это называется флуоресцентной спектроскопией с временным разрешением.[5]

Механизм

Лантаноиды можно использовать из-за их небольшого размера (ионный радиус ) дает им возможность заменять ионы металлов внутри белковый комплекс Такие как кальций или же никель. Оптические свойства ионов лантанидов, таких как Ln (III), происходят из особенностей их электронного [Xe] 4fп конфигурации.[4] Эти конфигурации генерируют множество электронных уровней, количество которых равно [14! / N! (14-n)!], Что соответствует 3003 уровням энергии для Eu (III) и Tb (III).[1]

Энергии этих уровней хорошо определены из-за экранирования 4f-орбиталей заполненными суб-оболочками 5s и 5p,[4] и не очень чувствительны к химической среде, в которую вставлены ионы лантаноидов. Переходы 4f-4f внутренней оболочки охватывают как видимый, так и ближний инфракрасный диапазоны.[1] Они резкие и легко узнаваемые. Поскольку эти переходы запрещены по четности, времена жизни возбужденных состояний велики, что позволяет использовать время с разрешением спектроскопия,[4] окончательный актив для биоанализов и микроскопии. Единственным недостатком переходов f-f является их слабая сила осциллятора, которая на самом деле может быть превращена в преимущество.[1]

Энергия, поглощенная органическим рецептором (лигандом), передается на возбужденные состояния Ln (III), и после быстрого внутреннего преобразования на излучающий уровень обнаруживаются резкие полосы излучения, исходящие от иона металла.[1] Это явление называется сенсибилизацией металлоцентрированного комплекса (также называемым антенным эффектом) и является довольно сложным.[4]Путь миграции энергии проходит через долгоживущие триплетное состояние лиганда. Ионы Ln (III) хороши тушители триплетных состояний, так что фотообесцвечивание существенно уменьшается. Для зондов лантаноидов наблюдаются три типа переходов: LMCT, 4f-5d и внутриконфигурационный 4f-4f. Первые два обычно возникают при слишком высоких энергиях, чтобы иметь отношение к биоприложениям.[1][4]

Приложения

Исследования рака

Инструменты скрининга для разработки новых рак методы лечения пользуются большим спросом во всем мире и часто требуют определения кинетики ферментов.[1] Высокая чувствительность люминесценции лантаноидов, особенно люминесценции с временным разрешением, оказалась идеальным кандидатом для этой цели. Есть несколько способов проведения этого анализа с использованием субстратов флуорогенных ферментов, субстратов, несущих донорные / акцепторные группы, позволяющих перенос энергии резонанса флуоресценции (FRET) и иммуноанализов. Например, белки, связывающие гуанин-нуклеотид, состоят из нескольких субъединиц, одна из которых включает субъединицы Подсемейство Ras.[1] Рас GTPases действуют как бинарные переключатели, преобразовывая гуаденозинтрифосфат (GTP ) в гуаденозиндифосфат (ВВП ). Люминесценция комплекса Tb (III) с норфлоксацином чувствительна для определения концентрации фосфата, высвобождаемого GTP, в преобразование GDP.[1]

датчики pH

Протонирование основных центров в системах, включающих хромофор и люминесцентный металлический центр, открывает путь для датчиков pH.[4] Некоторые первоначально предложенные системы были основаны на производных пиридина, но они не были стабильными в воде.[1] Были предложены более прочные датчики, в которых сердечник является замененным. макроцикл обычно несущий фосфинат, карбоксилат или четыре амид координационные группы. Было замечено, что излучение люминесцентного зонда лантаноида увеличивается примерно в шесть раз при снижении pH раствора с шести до двух.[1]

Датчик перекиси водорода

Перекись водорода может быть обнаружена с высокой чувствительностью по люминесценции зондов лантаноидов, но только при относительно высоких значениях pH. Аналитическая процедура на основе лантаноидов была предложена в 2002 г. на основании открытия, что комплекс европия с различными тетрациклины связывает перекись водорода, образуя люминесцентный комплекс.[1]

Оценка размера молекулы и атомных расстояний

FRET В зондах лантаноидов широко используется метод измерения расстояния между двумя точками, разделенными примерно на 15–100 ангстрем.[6] Измерения можно проводить в физиологических условиях in vitro с генетически кодируемыми красителями, а также часто in vivo. Этот метод основан на дистанционно-зависимой передаче энергии от донорного флуорофора к акцепторному красителю. Зонды лантаноидов использовались для изучения взаимодействий ДНК-белок (с использованием тербий хелатный комплекс) для измерения расстояний в комплексах ДНК, изогнутых белком CAP.[6]

Конформация белка

Зонды лантаноидов использовались для обнаружения конформационный изменения белков. Недавно шейкер калий ионный канал,[6] с помощью этого метода измеряли потенциал-зависимый канал, участвующий в нервных импульсах.[7] Некоторые ученые также использовали резонансный перенос энергии люминесценции на основе лантаноидов (LRET), который очень похож на FRET, для изучения конформационных изменений в РНК-полимеразе при связывании с ДНК и инициации транскрипции у прокариот. LRET также использовался для изучения взаимодействия белков. дистрофин и актин в мышечных клетках. Дистрофин присутствует во внутренней мембране мышечной клетки и, как полагают, стабилизирует мышечные волокна, связываясь с актиновыми филаментами. Использовали специфически меченый дистрофин с меченными Tb моноклональными антителами.[6]

Вирусология

Традиционный вирус диагностические процедуры заменяются чувствительными иммуноанализ с лантаноидами. Метод, основанный на флуоресценции с временным разрешением, обычно применим, и его эффективность также была проверена при анализе вирусных антигенов в клинических образцах.[6]

Медицинская визуализация

Основная статья: Контрастное вещество для МРТ

Было предложено несколько систем, сочетающих МРТ возможность использования зондов лантаноидов в двойных анализах.[4] Люминесцентный зонд может, например, служить для локализации контрастного вещества для МРТ.[8] Это помогло визуализировать доставку нуклеиновых кислот в культивируемые клетки. Лантаноиды используются не из-за их флуоресценции, а из-за их магнитных свойств.[8][9]

Биология - взаимодействия рецептор-лиганд

Зонды на основе лантаноидов проявляют уникальные флуоресцентные свойства, включая длительное время жизни флуоресценции, большой стоксов сдвиг и узкий пик излучения. Эти свойства очень полезны для разработки аналитических зондов для взаимодействий рецептор-лиганд. Многие исследования флуоресценции на основе лантаноидов были разработаны для GPCR, включая CXCR1,[10] рецептор 2 пептидов семейства инсулиноподобных,[11] рецептор, активируемый протеазой 2,[12] β2-адренорецептор[13] и Рецептор C3a.[14]

Приборы

Выброшенный фотоны от возбужденных лантаноидов обнаруживаются высокочувствительными устройствами и методами, такими как однофотонное обнаружение. Если время жизни возбужденного излучающего уровня достаточно велико, то можно использовать детектирование с временным разрешением (TRD) для улучшения отношения сигнал / шум.[5] Аппаратура, используемая для выполнения LRET, относительно проста, хотя и немного сложнее, чем обычные флуориметры. Общие требования - импульсный источник УФ-возбуждения и детектирование с временным разрешением.

Зонд лантаноида 1.jpg

Источники света, излучающие короткие импульсы, можно разделить на следующие категории:[3]

Наиболее важными факторами при выборе импульсного источника света являются продолжительность и интенсивность света.[3] Импульсные лазеры для диапазона от 300 до 500 нм теперь заменили искровые колпачки в флуоресцентной спектроскопии. Используются четыре основных типа импульсных лазеров: лазеры с импульсным возбуждением, лазеры с перегрузкой, лазеры с синхронизацией мод и лазеры со сбросом резонатора. Импульсный азотные лазеры (337 нм) часто использовались в качестве источника возбуждения во флуорометрии с временным разрешением.[3]

Со временем разрешенная флюорометрия фотоумножитель единственный практический детектор одиночных фотонов. Хорошее разрешение по одному фотону также является преимуществом при подсчете фотонов от флуоресцентных зондов с длинным распадом, таких как хелаты лантаноидов.[4]

Эти коммерческие инструменты доступны сегодня на рынке: Перкин-Элмер Микрофильтровый флуориметр LS-2, люминесцентный спектрометр Perkin-Elmer, модель LS 5, и LKB-Wallac с временным разрешением Флуорометр Модель 1230.[3]

Лиганды

Зонды лантаноидов лиганды Для правильной работы зондов должны соответствовать нескольким химическим требованиям. Этими качествами являются: растворимость в воде, большая термодинамическая стабильность при физиологических условиях. pH, кинетическая инертность и поглощение выше 330 нм для минимизации разрушения живых биологических материалов.[1]

Хелаты, которые были изучены и использованы на сегодняшний день, можно разделить на следующие группы:[3]

  1. Трис-хелаты (три лиганда)
  2. Хелаты тетракиса (четыре лиганда)
  3. Смешанные лигандные комплексы
  4. Комплексы с нейтральными донорами
  5. Другие, такие как: фталат, пикрат, и салицилат комплексы.

Эффективность передача энергии от лиганда к иону определяется связь лиганд-металл. Передача энергии более эффективна при склеивании ковалентно чем через ионную связь.[15] Заместители в лиганде, которые являются электронодонорными, такие как гидрокси, метокси и метил группы увеличивают флуоресценцию.[3] Противоположный эффект наблюдается, когда присоединяется электроноакцепторная группа (например, нитро).[3][4] Кроме того, интенсивность флуоресценции увеличивается за счет замещения лиганда фтором. Передача энергии иону металла увеличивается с увеличением электроотрицательность фторированной группы делает связь европий-кислород более ковалентной. Повысился спряжение ароматическими заместителями путем замены фенила на нафтил показано, что группы усиливают флуоресценцию.[15]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п о п q р Бюнзли, Жан-Клод Г. (12 мая 2010 г.). «Люминесценция лантаноидов для биомедицинских анализов и визуализации». Химические обзоры. 110 (5): 2729–2755. Дои:10.1021 / cr900362e. PMID  20151630.
  2. ^ Дом, Джеймс (2013). Неорганическая химия (2-е изд.). Уолтем, Массачусетс: Elsevier / Academic Press. ISBN  978-0123851109.
  3. ^ а б c d е ж грамм час я j k Сойни, Эркки; Левгрен, Тимо; Реймер, Чарльз Б. (январь 1987 г.). "Флуоресценция с временным разрешением зондов лантанидов и их применение в биотехнологии". C R C Критические обзоры в аналитической химии. 18 (2): 105–154. Дои:10.1080/10408348708542802.
  4. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м Bünzli, под редакцией J.-C.G .; Чоппин, Г. (1989). Зонды на лантаноиды в биологии, химии и науках о Земле: теория и практика. Амстердам: Эльзевир. ISBN  978-0444881991.CS1 maint: дополнительный текст: список авторов (связь)
  5. ^ а б Hemmilä, I .; Лайтала, В. (июль 2005 г.). «Прогресс в лантаноидах как люминесцентных датчиках». Журнал флуоресценции. 15 (4): 529–542. Дои:10.1007 / s10895-005-2826-6. PMID  16167211. S2CID  9978828.
  6. ^ а б c d е Селвин, Пол Р. (июнь 2002 г.). «Принципы и биофизические применения зондов на основе лантанидов». Ежегодный обзор биофизики и структуры биомолекул. 31 (1): 275–302. Дои:10.1146 / annurev.biophys.31.101101.140927. PMID  11988471.
  7. ^ Turro, C; Фу, ПК; Брэдли, PM (2003). «Ионы лантаноидов как люминесцентные зонды белков и нуклеиновых кислот». Ионы металлов в биологических системах. 40: 323–53. PMID  12723154.
  8. ^ а б Heffern, Marie C .; Матошюк, Лорен М .; Мид, Томас Дж. (23 апреля 2014 г.). «Зонды лантанидов для биореактивной визуализации». Химические обзоры. 114 (8): 4496–4539. Дои:10.1021 / cr400477t. ЧВК  3999228. PMID  24328202.
  9. ^ Эйме, Сильвио; Фазано, Мауро; Террено, Энцо (1998). «Хелаты лантаноидов (III) для биомедицинских применений ЯМР». Обзоры химического общества. 27 (1): 19. Дои:10.1039 / A827019Z.
  10. ^ Inglese, J .; Samama, P .; Patel, S .; Burbaum, J .; Stroke, I. L .; Аппелл, К. К. (24 февраля 1998 г.). «Взаимодействия хемокиновый рецептор-лиганд, измеренные с использованием флуоресценции с временным разрешением». Биохимия. 37 (8): 2372–2377. Дои:10.1021 / bi972161u. ISSN  0006-2960. PMID  9485384.
  11. ^ Шабанпур, Фазель; Хьюз, Ричард А .; Bathgate, Росс А.Д .; Чжан, Суодэ; Скэнлон, Денис Б .; Линь, Фэн; Хоссейн, Мохаммед Ахтер; Сепарович, Фрэнсис; Уэйд, Джон Д. (июль 2008 г.). «Твердофазный синтез меченного европием человеческого INSL3 в качестве нового зонда для изучения взаимодействий лиганд-рецептор». Биоконъюгат химия. 19 (7): 1456–1463. Дои:10.1021 / bc800127p. ISSN  1520-4812. PMID  18529069.
  12. ^ Хоффман, Джастин; Флинн, Андреа Н .; Tillu, Dipti V .; Чжан, Чжэньюй; Патек, Рената; Прайс, Теодор Дж .; Вагнер, Йозеф; Бойтано, Скотт (2012-10-17). «Мечение лантанидом сильного агониста рецептора-2, активируемого протеазой, для флуоресцентного анализа с временным разрешением». Биоконъюгат химия. 23 (10): 2098–2104. Дои:10.1021 / bc300300q. ISSN  1520-4812. ЧВК  3556274. PMID  22994402.
  13. ^ Мартиккала, Эйджа; Лехмусто, Мирва; Лиля, Минна; Розвандович-Янсен, Анита; Лунден, Дженни; Томохиро, Такенори; Ханнинен, Пекка; Петя-Репо, Улла; Хярма, Харри (15 сентября 2009 г.). «Клеточный анализ связывания бета2-адренергического рецептора-лиганда с использованием синтезированных лигандов, меченных европием, и флуоресценции с временным разрешением». Аналитическая биохимия. 392 (2): 103–109. Дои:10.1016 / j.ab.2009.05.022. ISSN  1096-0309. PMID  19464246.
  14. ^ Дантас де Араужо, Алин; Ву, Чонъян; Ву, Кай-Чен; Рид, Роберт С .; Дурек, Томас; Лим, Цзюньсянь; Фэрли, Дэвид П. (31 мая 2017 г.). «Меченый европием синтетический белок C3a в качестве нового флуоресцентного зонда для человеческого рецептора C3a комплемента» (PDF). Биоконъюгат химия. 28 (6): 1669–1676. Дои:10.1021 / acs.bioconjchem.7b00132. ISSN  1043-1802. PMID  28562031.
  15. ^ а б Самуэль, Аманда П. С .; Сюй, Цзидэ; Раймонд, Кеннет Н. (19 января 2009 г.). «Прогнозирование эффективных антенных лигандов для излучения Tb (III)». Неорганическая химия. 48 (2): 687–698. Дои:10.1021 / ic801904s. PMID  19138147.