三磷酸腺苷(ATP)作為機體最直接的能量來源，參與細(xì)胞代謝和各種生化反應(yīng)，在維持大腦功能過程中扮演重要角色。在正常生理狀態(tài)下，腦內(nèi)ATP的濃度受到嚴(yán)格的調(diào)節(jié)，而當(dāng)ATP濃度偏離平衡時則會引發(fā)阿爾茲海默病、帕金森病等多種腦疾病。因此，發(fā)展腦內(nèi)ATP的活體原位檢測方法對于研究相關(guān)的生理和病理過程具有重要意義。基于微電極的電化學(xué)活體分析法在腦科學(xué)研究中已做出了重要貢獻。

在本文中，我們將UCNPs與四甲基羅丹明(TAMRA)標(biāo)記的ATP適配體(cATP)，組成熒光共振能量轉(zhuǎn)移(FRET)體系，以碲化鎘量子點(CdTe QDs)作為光電活性材料，共同修飾于微電極表面，構(gòu)建可近紅外激發(fā)的ATP光電化學(xué)微傳感器。該PEC微傳感器已成功應(yīng)用于藥物誘導(dǎo)的炎癥小鼠模型中腦內(nèi)ATP的活體原位檢測。

FRET調(diào)控光電流信號的可行性

將光電材料和UCNPs組成的熒光探針依次修飾到微電極上，并測試了不同修飾電極的光電流響應(yīng)。由于CdTe QDs-MWCNTs在980 nm波長處的吸收很弱，因此在980 nm的近紅外光的激發(fā)下，只有CdTe QDs-MWCNTs修飾微電極表現(xiàn)出微小的光電流信號(圖1曲線a)。當(dāng)CdTe QDs-MWCNTs和UCNPs共同修飾到微電極表面后，UCNPs/CdTe QDs-MWCNTs/微電極在含有200μmol/L AA的aCSF中表現(xiàn)出最強的光電流信號，為315.2 nA(圖1曲線b)，說明UCNPs的發(fā)光能夠有效激發(fā)CdTe QDs并產(chǎn)生光電流信號。修飾cDNA后，cDNA/UCNPs/CdTe QDs-MWCNTs/微電極的光電流略微減小，為285.3 nA(圖1曲線c)，表明cDNA在電極表面的成功修飾。將TAMRA-cATP修飾到UCNPs后，由于TAMRA對UCNPs發(fā)光的猝滅作用，TAMRA-cATP/cDNA/UCNPs/CdTe QDs-MWCNTs/微電極的光電流顯著降低，為91.3 nA(圖1曲線d)。TAMRA-cATP/cDNA/UCNPs/CdTe QDs-MWCNTs/微電極與ATP(80 nmol/L)反應(yīng)后，光電流明顯增強，為185.5 nA(圖1曲線e)。以上實驗結(jié)果表明，ATP與適配體之間的特異性結(jié)合能夠引起光電流信號的改變。

圖1不同修飾電極的光電流大小：(a)CdTe QDs-MWCNTs/微電極；(b)UCNPs/CdTe QDs-MWCNTs/微電極；(c)cDNA/UCNPs/CdTe QDs-MWCNTs/微電極；(d)TAMRA-cATP/cDNA/UCNPs/CdTe QDs-MWCNTs/微電極；(e)TAMRA-cATP/cDNA/UCNPs/CdTe QDs-MWCNTs/微電極與ATP反應(yīng)后

傳感器對ATP的響應(yīng)研究

圖2(A)微傳感器與不同標(biāo)準(zhǔn)濃度ATP反應(yīng)后的光電流響應(yīng)；(B)光電流大小與ATP濃度之間的線性關(guān)系

傳感器的選擇性研究

由于活體環(huán)境復(fù)雜，傳感器的選擇性對活體分析十分重要。因此，我們考察了活體生物環(huán)境中共存的一些結(jié)構(gòu)類似物、陰陽離子和氨基酸等物質(zhì)對微傳感器的影響。如圖3所示，共存物質(zhì)對微傳感器的光電流信號基本沒有影響或者影響較小，當(dāng)加入ATP時，光電流顯著增加，說明該微傳感器對ATP具有很高的特異性。