Vo.l31
2010年2月
高等学校化学学报
CHEMICALJOURNALOFCHINESEUNIVERSITIES
No.2
260~263
CdTe量子点-罗丹明6G荧光共振能量转移体系的构建及其应用研究
王绪炎,梁建功,马金杰,陈姝含,韩鹤友
(华中农业大学理学院,农业微生物学国家重点实验室,武汉430070)
摘要 采用巯基化合物修饰的CdTe量子点构建了量子点(供体)-罗丹明6G(受体)荧光共振能量转移体系,研究了CdTe量子点与牛血清白蛋白(BSA)的相互作用.结果表明,CdTe量子点与BSA相互作用后提高了CdTe量子点-罗丹明6G体系的荧光共振能量转移(FRET)效率,减小了CdTe量子点和罗丹明6G分子间的距离(r),证实BSA是通过其色氨酸(Trp)残基与CdTe量子点表面金属发生配位作用而直接结合到量子点表面的.
关键词 CdTe量子点;罗丹明6G;荧光共振能量转移;牛血清白蛋白
中图分类号 O65713 文献标识码 A 文章编号 0251-0790(2010)02-0260-04
荧光共振能量转移(FRET)技术作为一种有效的光物理分析方法被广泛应用于分子间距离和分子结构的测定以及生物学方面.其中,基于量子点的FRET在生物大分子相互作用[5,6][7]器等方面的研究已成为热点和FRET领域发展的一个有意义的新方向.
[8]
[1]
[2~4]
及生物传感
牛血清白蛋白(BSA)的氨基酸序列与人血清白蛋白(HSA)非常类似,经常作为模型蛋白用于研究外源物质与蛋白质之间的相互作用.近年来,研究量子点与BSA相互作用已引起关注.Shao等采
[10]
用毛细管电泳和荧光相关光谱法研究了CdTe量子点与BSA之间的相互作用,认为两者之间的相互作用主要是静电引力;Zhao等
[11]
[9]
在评估CdTe量子点对BSA的毒性过程中发现,氢键和范德华力是稳
[12]
定CdTe量子点-BSA复合物的主要结合力;本课题组研究发现,在CdTe量子点与BSA形成复合物
的过程中主要的相互作用为疏水作用和配位作用.但目前对量子点与BSA的作用机理尚不清楚.
本文构建了一种量子点-罗丹明6GFRET体系,应用该体系研究了BSA与量子点的相互作用,证实了BSA是通过其色氨酸残基与量子点表面金属发生配位作用而直接结合到量子点表面这一作用机理,为今后量子点在生物学上更广泛的应用提供了前期工作基础.
1 实验部分
1.1 试剂与仪器
氯化镉、无水亚碲酸钠、巯基乙酸(TGA)、还原型谷胱甘肽(GSH)和罗丹明6G(R6G)(分析纯,国药集团化学试剂有限公司);牛血清白蛋白(BSA,Roche公司);PBS缓冲溶液(0101mol/L,pH=714);Mill-iQ超纯水(18125M8#cm).
Evolution300紫外-可见分光光度计(美国ThermoNicole公司);LS-55荧光分光光度计(美国PerkinElmer公司);APEX微波化学工作站(上海屹尧微波化学技术有限公司).1.2 实验过程
1.2.1 CdTe量子点-罗丹明6GFRET体系的构建 采用微波加热法分别合成了TGA和GSH修饰的CdTe量子点
[13,14]
.参考文献[15]方法,计算出CdTe和CdTe量子点的尺寸和浓度分别为119nm,
-T-G
收稿日期:2009-09-27.
基金项目:国家自然科学基金(批准号:20975042)、转基因科技重大专项基金(批准号:2009ZX08012-015B)、湖北省自然科学基金重点项目(批准号:2008CDA080)和湖北省自然科学基金面上项目(批准号:2008CDB031)资助.
联系人简介:韩鹤友,男,教授,博士生导师,主要从事纳米生物分析领域的研究.E-mai:lhyhan@mai.lhzau.edu.cn
No.2616@10
-6
王绪炎等:CdTe量子点-罗丹明6G荧光共振能量转移体系的构建及其应用研究
-5
261
mol/L和210nm,712@10
-6
mol/L.在10mL比色管中,用PBS缓冲溶液配制CdTe量子点
溶液(110@10mol/L),依次加入R6G溶液(R6G/量子点摩尔比为0,1,2,3,5和10),并测定其荧
[5,16]
光光谱(测定条件:激发波长390nm;入射狭缝1010nm;出射狭缝310nm).按E=1-FDA/FD关系式计算出FRET体系荧光共振能量转移效率存在时供体的荧光强度.
1.2.2 BSA/CdTe量子点摩尔比对荧光共振能量转移效率及供体-受体之间距离的影响 配制一系列CdTe量子点和CdTe量子点-BSA溶液(CdTe量子点浓度均为110@10mol/L,BSA/量子点摩尔比依
[5]
次为0,1,2,3,5和10),37e下振荡反应2h,冷却至室温后测定并计算量子产率及加入不同量的BSA后,FRET体系的荧光共振能量转移效率.
按E=nR0/(nr0+r),JAD=Q0PLD-corr(K)I
1/62
6
6
6
]
A
-6
,其中,FDA为受体存在时供体的荧光强度;FD为受体不
(K)KdK,R0=8.79@10
[5,16]
46-25
knD5DJAD,
2-4
r=R0[n(1-E)/E]计算CdTe量子点-罗丹明6G之间的距离r,其中,R0为FÊrster半径;r为供
体与受体间的距离;k为空间取向因子,通常假设为2/3;5D是供体的荧光量子产率;JAD为供体荧光发射光谱与受体紫外吸收光谱之间的光谱重叠积分;nD为供体与受体之间介质的折射指数;n为接近单个受体分子的供体分子个数.
2 结果与讨论
2.1 CdTe量子点-罗丹明6GFRET体系的构建
-T-G
从图1可知,CdTe和CdTe量子点荧光发射峰与R6G的紫外吸收峰均能有效重叠,具备构建FRET体系的条件.按公式JAD=Q)I0PLD-corr(K谱重叠积分分别为3184@10
-13
]
A
(K)KdK计算出CdTe及CdTe量子点与R6G的光
3
4-T-G
和3170@10
-13
cm#L/mo.l
Fig.1 UV-VisabsorptionspectraofR6G(a)and
normalizedfluorescencespectraof
-T-G
CdTe(b)andCdTe(c)
Fig.2 FluorescencespectraofFRETsystems
a.CdTe-G;b.CdTe-T;c.CdTe-G-R6G;d.CdTe-T-R6G;e.R6G.
在量子点溶液中加入R6G后,量子点的荧光强
度下降,R6G的荧光强度增加,这表明量子点与R6G之间发生了荧光共振能量转移(图2).原因可能在于量子点表面修饰基团上的羧基与R6G分子上的氨基发生相互作用,使供、受体之间的距离满足了发生FRET的条件.随着R6G/CdTe量子点摩尔比的增大,CdTe量子点-R6G之间的荧光共振能量转移效率不断增加(图3),这是因为增加接近单个供体表面的受体
[16]
分子个数能够提高体系的荧光能量转移效率.
Fig.3 EffectofmolarratioofR6GtoCdTe
onenergytransferefficiency
2.2 BSA/CdTe量子点摩尔比对荧光共振能量转移效率的影响
量子点与BSA相互作用后,BSA钝化了量子点的表面缺陷,降低了无辐射跃迁的几率,从而使量
[17]
子产率有所提高;但随着BSA/量子点摩尔比的持续增大,过量BSA在量子点表面起电子陷阱的作
[18,19]2+
用,使得荧光强度有所下降,量子产率反而有所降低(表1).由于在量子点成核过程中,Cd--G
GSH层分解形成的CdS壳有效地钝化了CdTe量子点的表面缺陷,故CdTe量子点的量子产率大于
262
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[20]
CdTe量子点的量子产率
-T
-T
,且随着BSA/量子点摩尔比的持续增大,CdTe量子点的量子产率比
-G
-T
-G
CdTe量子点的量子产率减少得快.这也表明CdTe量子点的表面缺陷少于CdTe量子点,其表面过量BSA的电子陷阱作用更明显.
Table1 EffectofmolarratioofBSAtoCdTeonFÊrsterradiusanddistancebetweenCdTeandR6G
n(BSA)/CdTe-T
n(CdTe)5D(%)R0/nm
012
35.239.745.0
3.683.763.83
r/nm4.704.444.41
5D
-GCdTe(%)R0/nm
51.654.053.5
3.903.933.92
r/nm
5.084.974.96
n(BSA)/
n(CdTe)5
3510
CdTe-TR0/nmD(%)44.944.543.5
3.833.833.81
r/nm
4.374.274.17
5D
CdTe-G
(%)R0/nm
3.903.903.
51.951.851.7
r/nm4.934.924.91
从图4可知,量子点与BSA相互作用后,提高了CdTe量子点-R6G之间的的荧光共振能量转移效率.随着BSA/CdTe量子点摩尔比的持续增大,CdTe量子点-R6G之间的荧光共振能量转移效率
-G
也不断提高,但CdTe量子点-罗丹明6G之间的荧光共振能量转移效率的变化却不明显.
以上结果表明,量子点-罗丹明6G之间的荧光共振能量转移效率除与量子点的量子产率有关外,还应该与量子点与罗丹明6G分子之间的距离有关.
2.3 BSA/CdTe量子点摩尔比对供体-受体之间距离的影响
计算得出的量子点与罗丹明6G之间FÊrster半径(R0)和距离(r)列于表1.由于巯基乙酸分子尺寸小于谷胱甘肽分子,罗丹明6G与CdTe量子点之间的距离要小于与其CdTe量子点之间的距离.BSA/量子点摩尔比的增加使CdTe量子点与罗丹明6G之间的整体平均距离有所减小,即CdTe和CdTe量子点与罗丹明6G之间的距离减小值分别为0153和0118nm.这可能是量子点与BSA相互作用后,有一部分罗丹明6G分子能够在更接近于量子点表面的结合位点与量子点发生荧光共振能量转移.实验还发现卵清蛋白也存在着与BSA类似的现象.2.4 BSA与CdTe量子点的作用机理
Mamedova等
2+
[21]
-G
-T
-T
-G
-T
Fig.4 EffectofmolarratioofBSAtoCdTe
onenergytransferefficiency
n(R6G)/n(CdTe)=10.
在研究BSA与CdTe量子点生物结合的过程中发现,富集在CdTe量子点胶体表面
[11]
的Cd能够与BSA表面的金属结合位点发生配位作用;Zhao等在研究CdTe量子点对BSA的毒性时发现,量子点会影响BSA的结构,使位于疏水区的色氨酸残基(Trp-213)逐步暴露于水中,同亲水区的Trp-134一起与量子点之间产生更好的相互作用.Mattoussi课题组配位作用直接结合到量子点表面的.
综合以上研究可认为,BSA是通过其色氨酸残基与量子点表面金属发生配位作用而直接结合到量子点表面的.由于R6G也可与BSA色氨酸残基相结合
[22]
[5,16]
在组装大肠杆菌麦芽糖结合
蛋白与CdSe-ZnS量子点生物传感器过程中发现,蛋白是通过其表面组氨酸残基与量子点表面金属的
,所以与量子点表面的修饰基团结合相比,
一部分R6G分子与更接近于量子点表面的色氨酸残基发生相结合,使得量子点与R6G之间的整体平
-T
均距离有所减小(图5).CdTe量子点表面缺陷较多,BSA的色氨酸残基能更好地结合到其表面,量子点与罗丹明6G之间的整体平均距离就更小.同步荧光光谱显示,色氨酸残基的最大发射波长($K=
Fig.5 SchematicdiagramoffluorescenceresonanceennergytransferbetweenCdTeand
R6Gbefore(A)orafter(B)interactingCdTewithBSA
No.2
王绪炎等:CdTe量子点-罗丹明6G荧光共振能量转移体系的构建及其应用研究263
60nm)略有红移,而酪氨酸残基的最大发射波长($K=20nm)基本不变(图略),表明量子点与BSA的结合位点确实更接近于色氨酸残基,使得色氨酸残基所处环境的疏水性降低,BSA构象发生变化
[23]
.这一作用机理与之前的研究结果
[12]
一致.
参 考 文 献
[1] FangC.,ZhaoB.M.,LuH.T.,etal..J.Phys.Chem.C[J],2008,112(18):7278)7283[2] MedintzI.L.,KonnertJ.H.,ClappA.R.,etal..PNAS[J],2004,101(26):9612)9617[3] EunkeuO.,HongM.Y.,LeeD.,etal..J.Am.Chem.Soc.[J],2005,127(10):3270)3271
[4] ClappA.R.,MedintzI.L.,UyedaT.H.,etal..J.Am.Chem.Soc.[J],2005,127(51):18212)18221[5] MedintzI.L.,ClappA.R.,MattoussiH.,etal..Nat.Mater.[J],2003,2(6):630)638[6] LiF.S.,VaniaD.P.,NitsaR.,etal..J.Am.Chem.Soc.[J],2006,128(32):10378)10379[7] MedintzI.L.,MattoussiH..Phys.Chem.Chem.Phys.[J],2009,11(1):17)45
[8] SUNYan-Tao(孙艳涛),ZHANGYu-Pu(张玉璞),BIShu-Yun(毕淑云),etal..Chem.J.ChineseUniversities(高等学校化学学
报)[J],2009,30(6):1095)1100
[9] ShaoL.W.,DongC.Q.,RenJ.C.,etal..Chin.Chem.Lett.[J],2008,19(6):707)710[10] ShaoL.W.,DongC.Q.,RenJ.C.,etal..J.Fluoresc.[J],2009,19(1):151)157
[11] ZhaoL.Z.,LiuR.T.,ZhaoX.C.,etal..Sc.iTota.lEnviron.[J],2009,407(18):5019)5023[12] LiangJ.G.,ChenY.P.,HanH.Y..J.Mo.lStruct.[J],2008,2(1)3):116)120
[13] RogachA.L.,FranzlT.,KlarT.A.,etal..J.Phys.Chem.C[J],2007,111(40):14628)14637[14] HanH.Y.,ShengZ.H.,LiangJ.G..Ana.lChim.Acta[J],2007,596(1):73)78[15] QuL.H.,GuoW.Z.,PengX.G.,etal..Chem.Mater.[J],2003,15(14):2854)2860[16] ClappA.R.,MedintzI.L.,MattoussiH.,etal..J.Am.Chem.Soc.[J],2004,126(1):301)310
[17] ZENGQing-Hui(曾庆辉),ZHANGYou-Lin(张友林),DUChuang(杜创),etal..Chem.J.ChineseUniversities(高等学校化学学
报)[J],2009,30(6):1158)1161
[18] JeongS.,AchermannM.,NandaJ.,etal..J.Am.Chem.Soc.[J],2005,127(29):10126)10127[19] WangQ.,KuoY.C.,WangY.W.,etal..J.Phys.Chem.B[J],2006,110(34):16860)16866[20] QianH.F.,DongC.Q.,WengJ.F.,etal..Small[J],2006,2(6):747)751
[21] MamedovaN.N.,NicholasA.,KotovAndreyL.,etal..Nano.Lett.[J],2001,1(6):281)286
[22] YANGMan-Man(杨曼曼),YANGPin(杨频),XIXiao-Li(席小莉).Chin.Sc.iBul.l(科学通报)[J],1997,2(12):1277)1279[23] ZHANGXiao-Wei(张晓威),ZHAOFeng-Lin(赵凤林),LIKe-An(李克安),etal..Chem.J.ChineseUniversities(高等学校化学
学报)[J],1999,20(7):1063)1067
ConstructionandApplicationofCdTeQuantumDots-Rhodamine6G
FluorescenceResonanceEnergyTransferSystems
WANGXu-Yan,LIANGJian-Gong,MAJin-Jie,CHENShu-Han,HANHe-You
(CollegeofScience,StateKeyLaboratroyofAgricatrualMicrobiology,
HuazhongAgriculturalUniversity,Wuhan430070,China)
*
Abstract TwokindsofthiolsmodifiedCdTequantumdotswereusedtoconstructtheCdTequantumdots(donor)-Rhodamine6G(acceptor)fluorescenceresonanceenergytransfer(FRET)systems,whichwereap-pliedtoinvestigatetheinteractionmechanismbetweenCdTequantumdotsandbovineserumalbumin(BSA).
TheresultsshowedthattheenergytransferefficiencyoftheCdTequantumdots-rhodamine6GFRETsystemswereimproved,andthedistancebetweenCdTequantumdotsandrhodamine6G(r)weredecreasedafterCdTequantumdotsinteractedwithBSA,BSAweredirectlybindingtothesurfaceofquantumdotbythecoor-dinationbetweenitstryptophan(Trp)residuesandthemeta.lKeywords CdTequantumdo;tRhodamine6G;Fluorescenceresonanceenergytransfer;Bovineserumalbumin
(Ed.:A,G)
