原子转移自由基聚合在生物传感中的应用.pdf

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1、第40卷分析化学(FENXIHUAXUE)特约来稿第12期2012年12月ChineseJournalofAnalyticalChemistryl797～l802原子转移自由基聚合在生物传感中的应用李颖吴亚锋袁亮刘松琴(东南大学化学化工学院，南京211189)摘要原子转移自由基聚合(ATRP)是一种新颖的信号放大方法。在聚合过程中，成百上千个单体分子聚集形成长链聚合物，聚合物的侧链可以修饰丰富的功能基团，可与电化学或光学活性物质发生键合反应，从而显著增加单元生物分子识别反应信号分子的负载量，提高了检测灵敏度，实现了生物分子检测的信号放大。本文综述了ATRP的反应机理及其近年来在生物传感中

2、的应用，并展望了其发展前景。关键词原子转移自由基聚合；信号放大；生物传感；脱氧核糖核酸(DNA)；蛋白质；评述1引言对复杂生物样品中与疾病相关的生物分子进行灵敏、快速、准确检测，对于研究疾病的发生发展、诊断与治疗等具有十分重要的意义。但由于在疾病的发生发展初期，相关生物分子在组织或血液中表达很低，利用常规方法无法检测，难以实现疾病的早期诊断。因此，发展生物分析新原理新方法，实现生物检测的信号放大，有效提高检测灵敏度，是目前生物分析化学领域的热门课题。基于原子转移自由基聚合反应(ATRP)的信号放大是一个利用大分子的动态增长过程，即通过高分子聚合反应将信号标记的单体小分子连接在一起，形成一

3、个含有几千个重复单元的高分子链，从而通过链增长将单个生物分子的识别过程放大成百上千倍，实现高效生物检测信号的放大。ATRP反应条件温和，对生物大分子的官能团有良好的适应性，已经成为合成含有嵌段聚合物的生物大分子的最理想选择。近年来，基于ATRP的信号放大方法在DNA和蛋白质检测方面取得了显著进展，在生物传感中得到了广泛应用。2ATRP的反应机理ATRP取决于少量增长基(P’)和大量休眠种(Px)之间的动力学可逆平衡(图1)”。过渡金属苎“提曼取”卤M原tm(子一L登．过妻P．X+Mtm(L),+xM一l(L，产生氧化物种XMt(L)和自由基Acti、，ator／，、Deactivato、

4、P‘；自由基P‘和烯烃M反应，生成自由基P—M‘。’、P—M’与XM(L)反应，得到目标产物P—MX，同时过渡金属还原为Mtm(L)，可以再次引发新一轮的图ATRP的反应机理反应。这个由M(L)：／Mm+(L)催化的氧化还原。n、一过程，能使体系有效地保持一个很低的自由基浓度，从而使自由基的终止反应大大减低。聚合物卤化物P—M一x可与M(L)进行原子转移反应，生成具有引发活性的自由基P—M，P—M’进行链增长反应，生成新的自由基P—Mm_，再和XMm_(L)反应生成相应的卤化物。在ATRP反应过程中，所有分子链在反应初期被引发，只要在合适的反应条件下，被引发的分子链在整个反应过程中都将保

5、持活性。因为ATRP可控的／活性的性质，可以合成各种组织和结构的聚合物，如均聚物、梯度聚合物、接枝共聚物”、嵌段聚合物～、星状聚合物8]和超支化聚合物”]。ATRP形成的聚合物材料作为载体可以增加信号分子的负载量，功能化的聚合物链的长度可以控制，探针的空间分布也可以调节。因此，ATRP能用于构建基于聚合物的信号放大方法q，从而用于生物传感。2012—05—23收稿；2012-09-26接受本文系国家自然科学基金资助项目(No．20875013)E-mail：liusq@seu．edu．cn分析化学第40卷3ATRP用于DNA的检测在大多数情况下，长链聚合物材料可化学修饰大量功能基团，用作

6、载体可以提供足够的活性位点，这些活性位点可用于捕获探针的结合，从而显著提高信号。Chen等设计并合成了一种温敏聚合物聚氮一异丙基丙烯酰胺，通过改变温度实现温敏聚合物对DNA分子的吸附能力的改变，进而实现对DNA分子的选择性检测。应用本方法可以从生物样品中提取人类染色体DNA分子，对hgDNA584的检出限可以达到2mg／L，从而实现对DNA分子的快速检测。Lou等首次研究了DNA分子存在时表面引发的ATRP的反应机理。如图2所示，采用ATRP过程进行DNA检测包括两个独立的步骤：(a)DNA的杂交；(b)通过聚合过程产生信号放大。研究表明，DNA分子可以作为生物催化剂，加速聚合物增长效率

7、。这种聚合物辅助的传感信号放大传感策略可应用于DNA检测。所形成的聚合物层改变了表面的反射率和不透明度，聚合物“斑点”能直接用肉眼观察到，不需要精密的仪器即可定性识别特定的DNA序列，为便携式生物传感应用提供了很好的解决方法。A~Polymer耋B一⋯●I

8、I_■■■■mm砒∞图2(A)DNA增速的ATRP聚合物增长示意图_3Fig．2(A)SurfacechemistryusedinthestudyofDNA-accelerate