فراتر از برچسب ها: بررسی استفاده از نقاط کوانتومی به عنوان اجزای تلفیقی سنجش ها، بیوپروب ها و بیوسنسور ها با استفاده از ترارسانی نوری Beyond labels: A review of the application of quantum dots as integrated components of assays, bioprobes, and biosensors utilizing optical transduction
- نوع فایل : کتاب
- زبان : فارسی
- ناشر : الزویر Elsevier
- چاپ و سال / کشور: 2010
توضیحات
رشته های مرتبط: فیزیک، مهندسی اپتیک و لیزر، بیوفتونیک، فیزیک کاربردی و نانو فیزیک
۱٫ مقدمه نقاط کوانتومی (QD ها ) یکی از انواع مختلف نانومواد هستند که تأثیر قابل توجهی بر تحقیقات در بسیاری از زمینه های علوم فیزیکی، شیمیایی و زیست شناختی داشته است. QD ها نانوبلورهای نیمه هادی هستند که عموما دارای ابعاد در محدوده ۲ تا ۶ نانومتر می باشند. منافع QD های چند بخشی تا حد زیادی توسط خواص الکترو نوری منحصر به فرد آنها که بین نیمه هادی مولکولی و نیمه رساناها قرار دارند بروز داده می شود. اگر چه تحقیقات QD در اوائل دهه ۱۹۹۰ احتمالا پذیرش بیوکانجوگه های QD به عنوان برچسب های فلورسنت برای تصویربرداری بیولوژیکی به دست آمد علاقه ی قابل ملاحظه به استفاده از آنها در جوامع تحقیقاتی بیو تجزیه ای، بیو فیزیکی و بیوپزشکی تشدید شد. QD ها اغلب با فراهم آوری شفافیت و پایداری نوری بهتر نسبت به رنگ های فلورسنت متداول شناخته می شوند در حالی که اغلب برای کاربردهای چند رنگی مناسب تر هستند. در حال حاضر، QD ها تصویربرداری سلول، بافت یا کل بدن و توسعه پروب های نوری برای سنجش بیولوژیکی را تحت تاثیر قرار می دهد. این بررسی با استفاده از QD ها به عنوان یک جزء تلفیقی در تجزیه و تحلیل به توسعه آزمایشات زیستی، بیوپروب ها و بیوسنسورها می پردازد. ما براساس یک طراحی بین QD های “غیر تلفیقی” و “تلفیقی” تفاوت قائل می شویم. QD غیر تلفیقی آنی است که به صورت انتخابی به یک بیو آنالیز در نتیجه تشخیص زیستی معرفی می شود. نمونه هایی از به کارگیری QD ها شامل استفاده به عنوان برچسب های فلورسنت در میکرو آرایه ها و یا برچسب های الکترو اکتیو در آزمون های مبتنی بر ولتامتری تخلیه آنودی می باشند. در مقابل، QD تلفیقی آنی است که در یک سیستم در سراسر یک آنالیز زیستی وجود دارد و در انتقال همزمان نقش دارد و به عنوان یک داربست برای شناخت زیستی عمل می کند که در بسیاری از موارد نیاز به اتصال مستقیم پروب های تمایلی یا عناصر شناخت بیولوژیکی به QD یا تجمع همزمان آنها در یک رابط دارد. نکته کلیدی این است که انتقال از طریق تعدیل تابش لومینسانس QD بین حالتهای بالا / پایین و یا روشن / خاموش اتفاق می افتد. در اینجا آزمایشات زیستی، بیوپروب ها و بیوسنسورهای مورد بحث در درجه اول به آزمایشات با QD های تلفیقی و انتقال نوری محدود می شود. تعدیل لومینسانس QD به عنوان یک پاسخ انتخابی برای حضور آنالیت هدف می تواند به روش های مختلفی به دست آید. این شامل این موارد است اما لزوما محدود نمی شوند به: انتقال انرژی رزونانس فلورسانس (FRET)، انتقال انرژی بیو لومینسانس (BRET)، انتقال بار فرونشانی (CT) و الکتروشیمی لومینسانس (ECL). لومینسانس نوری (PL) QD به شدت تحت تأثیر واکنش های CT قرار می گیرد، در حالی که QD ها دهندگان عالی در FRET و گیرندگان در BRET هستند. وابستگی جدی به این فرآیندها، مبنای بسیاری از استراتژی های تشخیص است. فرآیندهای شناخت زیستی برای تعدیل فاصله بین گونه های فعال مجتمع پروکسیمال، رنگساز ها یا فلوئورسانس ساز استفاده می شوند. تغییرات همزمان در طیف و شدت PL یک سیگنال تحلیلی ارائه می دهد. تعدیل شدت ECL QD ها توسط واکنش پذیری آنالیت، گردش آنزیم یا تغییرات در انتقال جرم هم واکنشگر همچنین برای ارائه یک سیگنال تحلیلی استفاده شده است. اصول اساسی این استراتژی های تشخیصی در این بررسی، همراه با یک مرور کلی از کاربردهای آنها در تشخیص انتخابی مولکول های کوچک، یون ها، اسیدهای نوکلئیک، پروتئین، آنزیم ها و دیگر اهداف زیست شناختی مهم ارائه شده است. به پیشرفت های اخیر در آزمون های فاز جامد توجه خاصی شده است که می تواند مزایای منحصر به فردی را نسبت به همتایان فاز محلول را به طور گسترده ای مورد استفاده قرار دهند. بررسی تحلیلی کاربردها به وسیله بررسی کلی QD ها، با تاکید بر شیمی بین وجهی و بیوکانجوگیشن آن ها نوشته می شود. ۲٫ نقاط کوانتومی: شیمی سطح و کانجوگه ها ۲٫۱ نقاط کوانتومی خواص الکترونوری منحصر به فرد QD ها از ترکیبی از مواد و ابعاد بوجود می آیند که به عنوان “محدودیت کوانتومی” شناخته می شود. علیرغم ظهور مواد دیگر، رایج ترین مواد باقی مانده، CdSe و CdTe می باشند. روش های سنتزی و شناسایی QD های با کیفیت بالا به طور گسترده ای در دسترس هستند و PL در مناطق مرئی و IR نزدیک از طیف به دست آمده است. به طور معمول، ساختارهای هسته-پوسته با یک لایه پوشاننده ZnS در اطراف هسته نانوکریستال برای بهبود خواص لومینسانس (به عنوان مثال CdSe / ZnS) مورد استفاده قرار می گیرند. خواص نوری مطلوب QD ها عبارتند از: جذب قوی، گسترده، یک فوتونی و دو فوتونی؛ باریک، متقارن، با اندازه قابل تنظیم PL (عرض کامل در نیمه حداکثر، FWHM، حدود ۲۵-۳۵ نانومتر)؛ عملکرد کوانتومی بالا (> 20٪)؛ و به طور کلی مدت های زمان انحطاط PL (اغلب> 10 ns). دیگر ویژگی های با مطلوبیت کمتر، خصوصیات نوری QD هاست که شامل: انحطاط چند نمایی PL، آبی شدن، روش شدن و چشمک زدن در سطح QD تنها. با توجه به نسبت های بزرگ مساحت سطح به حجم در QD ها، کیفیت و ویژگی های سطح نانوبلور معادل کیفیت هسته در تعیین خواص PL مشاهده شده است. کاهش عملکرد کوانتومی، تغییرات در فروپاشی PL ، تغییرات طیفی و ظاهر نامطلوب گاف نواری PL می تواند با کیفیت سطح همراه باشد. رشد یک پوسته معدنی با کیفیت بالا در اطراف هسته نانوکریستال، کیفیت سطح را در PL کاهش می دهد. با این حال، تاثیر سطح QD را نمی توان حذف کرد؛ جاذب ها، لیگاندها، یا سایر پوشش ها می توانند خواص PL را تحت تأثیر قرار دهند. این لزوما به معنای از دست دادن نیست – توانایی حاملهای هسته (به عنوان مثال الکترون ها و حفره ها) برای برهمکنش با حالت ها در ماتریکس مجاور در بسیاری از کاربردهای مربوط به CT ضروری است. شیمی سطح برای انواع سنجشگرها، بیوپروب ها و بیوسنسورها بر پایه نقاط کوانتومی بسیار مهم می باشد.
۱٫ مقدمه نقاط کوانتومی (QD ها ) یکی از انواع مختلف نانومواد هستند که تأثیر قابل توجهی بر تحقیقات در بسیاری از زمینه های علوم فیزیکی، شیمیایی و زیست شناختی داشته است. QD ها نانوبلورهای نیمه هادی هستند که عموما دارای ابعاد در محدوده ۲ تا ۶ نانومتر می باشند. منافع QD های چند بخشی تا حد زیادی توسط خواص الکترو نوری منحصر به فرد آنها که بین نیمه هادی مولکولی و نیمه رساناها قرار دارند بروز داده می شود. اگر چه تحقیقات QD در اوائل دهه ۱۹۹۰ احتمالا پذیرش بیوکانجوگه های QD به عنوان برچسب های فلورسنت برای تصویربرداری بیولوژیکی به دست آمد علاقه ی قابل ملاحظه به استفاده از آنها در جوامع تحقیقاتی بیو تجزیه ای، بیو فیزیکی و بیوپزشکی تشدید شد. QD ها اغلب با فراهم آوری شفافیت و پایداری نوری بهتر نسبت به رنگ های فلورسنت متداول شناخته می شوند در حالی که اغلب برای کاربردهای چند رنگی مناسب تر هستند. در حال حاضر، QD ها تصویربرداری سلول، بافت یا کل بدن و توسعه پروب های نوری برای سنجش بیولوژیکی را تحت تاثیر قرار می دهد. این بررسی با استفاده از QD ها به عنوان یک جزء تلفیقی در تجزیه و تحلیل به توسعه آزمایشات زیستی، بیوپروب ها و بیوسنسورها می پردازد. ما براساس یک طراحی بین QD های “غیر تلفیقی” و “تلفیقی” تفاوت قائل می شویم. QD غیر تلفیقی آنی است که به صورت انتخابی به یک بیو آنالیز در نتیجه تشخیص زیستی معرفی می شود. نمونه هایی از به کارگیری QD ها شامل استفاده به عنوان برچسب های فلورسنت در میکرو آرایه ها و یا برچسب های الکترو اکتیو در آزمون های مبتنی بر ولتامتری تخلیه آنودی می باشند. در مقابل، QD تلفیقی آنی است که در یک سیستم در سراسر یک آنالیز زیستی وجود دارد و در انتقال همزمان نقش دارد و به عنوان یک داربست برای شناخت زیستی عمل می کند که در بسیاری از موارد نیاز به اتصال مستقیم پروب های تمایلی یا عناصر شناخت بیولوژیکی به QD یا تجمع همزمان آنها در یک رابط دارد. نکته کلیدی این است که انتقال از طریق تعدیل تابش لومینسانس QD بین حالتهای بالا / پایین و یا روشن / خاموش اتفاق می افتد. در اینجا آزمایشات زیستی، بیوپروب ها و بیوسنسورهای مورد بحث در درجه اول به آزمایشات با QD های تلفیقی و انتقال نوری محدود می شود. تعدیل لومینسانس QD به عنوان یک پاسخ انتخابی برای حضور آنالیت هدف می تواند به روش های مختلفی به دست آید. این شامل این موارد است اما لزوما محدود نمی شوند به: انتقال انرژی رزونانس فلورسانس (FRET)، انتقال انرژی بیو لومینسانس (BRET)، انتقال بار فرونشانی (CT) و الکتروشیمی لومینسانس (ECL). لومینسانس نوری (PL) QD به شدت تحت تأثیر واکنش های CT قرار می گیرد، در حالی که QD ها دهندگان عالی در FRET و گیرندگان در BRET هستند. وابستگی جدی به این فرآیندها، مبنای بسیاری از استراتژی های تشخیص است. فرآیندهای شناخت زیستی برای تعدیل فاصله بین گونه های فعال مجتمع پروکسیمال، رنگساز ها یا فلوئورسانس ساز استفاده می شوند. تغییرات همزمان در طیف و شدت PL یک سیگنال تحلیلی ارائه می دهد. تعدیل شدت ECL QD ها توسط واکنش پذیری آنالیت، گردش آنزیم یا تغییرات در انتقال جرم هم واکنشگر همچنین برای ارائه یک سیگنال تحلیلی استفاده شده است. اصول اساسی این استراتژی های تشخیصی در این بررسی، همراه با یک مرور کلی از کاربردهای آنها در تشخیص انتخابی مولکول های کوچک، یون ها، اسیدهای نوکلئیک، پروتئین، آنزیم ها و دیگر اهداف زیست شناختی مهم ارائه شده است. به پیشرفت های اخیر در آزمون های فاز جامد توجه خاصی شده است که می تواند مزایای منحصر به فردی را نسبت به همتایان فاز محلول را به طور گسترده ای مورد استفاده قرار دهند. بررسی تحلیلی کاربردها به وسیله بررسی کلی QD ها، با تاکید بر شیمی بین وجهی و بیوکانجوگیشن آن ها نوشته می شود. ۲٫ نقاط کوانتومی: شیمی سطح و کانجوگه ها ۲٫۱ نقاط کوانتومی خواص الکترونوری منحصر به فرد QD ها از ترکیبی از مواد و ابعاد بوجود می آیند که به عنوان “محدودیت کوانتومی” شناخته می شود. علیرغم ظهور مواد دیگر، رایج ترین مواد باقی مانده، CdSe و CdTe می باشند. روش های سنتزی و شناسایی QD های با کیفیت بالا به طور گسترده ای در دسترس هستند و PL در مناطق مرئی و IR نزدیک از طیف به دست آمده است. به طور معمول، ساختارهای هسته-پوسته با یک لایه پوشاننده ZnS در اطراف هسته نانوکریستال برای بهبود خواص لومینسانس (به عنوان مثال CdSe / ZnS) مورد استفاده قرار می گیرند. خواص نوری مطلوب QD ها عبارتند از: جذب قوی، گسترده، یک فوتونی و دو فوتونی؛ باریک، متقارن، با اندازه قابل تنظیم PL (عرض کامل در نیمه حداکثر، FWHM، حدود ۲۵-۳۵ نانومتر)؛ عملکرد کوانتومی بالا (> 20٪)؛ و به طور کلی مدت های زمان انحطاط PL (اغلب> 10 ns). دیگر ویژگی های با مطلوبیت کمتر، خصوصیات نوری QD هاست که شامل: انحطاط چند نمایی PL، آبی شدن، روش شدن و چشمک زدن در سطح QD تنها. با توجه به نسبت های بزرگ مساحت سطح به حجم در QD ها، کیفیت و ویژگی های سطح نانوبلور معادل کیفیت هسته در تعیین خواص PL مشاهده شده است. کاهش عملکرد کوانتومی، تغییرات در فروپاشی PL ، تغییرات طیفی و ظاهر نامطلوب گاف نواری PL می تواند با کیفیت سطح همراه باشد. رشد یک پوسته معدنی با کیفیت بالا در اطراف هسته نانوکریستال، کیفیت سطح را در PL کاهش می دهد. با این حال، تاثیر سطح QD را نمی توان حذف کرد؛ جاذب ها، لیگاندها، یا سایر پوشش ها می توانند خواص PL را تحت تأثیر قرار دهند. این لزوما به معنای از دست دادن نیست – توانایی حاملهای هسته (به عنوان مثال الکترون ها و حفره ها) برای برهمکنش با حالت ها در ماتریکس مجاور در بسیاری از کاربردهای مربوط به CT ضروری است. شیمی سطح برای انواع سنجشگرها، بیوپروب ها و بیوسنسورها بر پایه نقاط کوانتومی بسیار مهم می باشد.
Description
Quantum dots (QDs) are one of several types of nanomaterial that have had a significant impact on research in many fields across the physical, chemical, and biological sciences. QDs are semiconductor nanocrystals that generally have dimensions in the range of 2–۶ nm. Multidisciplinary interest in QDs has been largely motivated by their unique electro-optical properties that lie between the molecular and bulk semiconductor regimes [1]. Although QD research gained momentum in the early 1990s, it was arguably the adoption of QD-bioconjugates as fluorescent labels for biological imaging [2,3] that catalyzed significant interest across the bioanalytical, biophysical, and biomedical research communities at the turn of the century. QDs are recognized as frequently providing better brightness and photostability compared to conventional fluorescent dyes, while also being better suited for multicolour applications [4]. At present, QDs continue to make an impact in these fields through cellular, tissue, or whole body imaging [4–۸], and the development of optical probes for biological sensing [4,5,9–۱۲]. This review addresses the development of bioassays, bioprobes, and biosensors utilizing QDs as an integrated component of the analysis. We make a distinction between “non-integrated” and “integrated” QDs based on design. A non-integrated QD is one that is selectively introduced to a bioanalysis as a consequence of biorecognition. Examples include the use of QDs as fluorescent labels in microarrays [13,14], or electroactive labels in assays based on anodic stripping voltammetry [15]. In contrast, an integrated QD is one that is present in a system throughout a bioanalysis—it simultaneously has a role in transduction and as a scaffold for biorecognition. In many cases, this requires the direct conjugation of affinity probes or biorecognition elements to a QD, or their co-assembly at an interface. The key point is that transduction occurs by modulating QD luminescence between high/low or on/off states. The bioassays, bioprobes, and biosensors discussed herein are primarily limited to those with integrated QDs and optical transduction. The modulation of QD luminescence as a selective response to the presence of target analyte can be achieved in several ways. These include, but are not necessarily limited to: fluorescence resonance energy transfer (FRET), bioluminescence resonance energy transfer (BRET), charge transfer (CT) quenching, and electrochemiluminescence (ECL). The photoluminescence (PL) of QDs is strongly influenced by CT reactions, while QDs have been demonstrated to be excellent donors in FRET and acceptors in BRET. The strong distance dependence of these processes has provided the basis for many detection strategies. Biorecognition events are used to modulate distances between proximal redox active species, chromophores, or fluorophores. Concomitant changes in PL spectra and intensity provide an analytical signal. The modulation of ECL intensity from QDs using analyte reactivity, enzyme turnover, or changes in co-reactant mass transport has also been used to provide an analytical signal. The basic principles underlying these detection strategies are presented in this review, along with an overview of their applications in the selective detection of small molecules, ions, nucleic acids, proteins, enzymes, and other biologically important targets. Some special attention is given to recent developments in solid-phase assays, which can provide unique advantages compared to their more widely employed solution-phase counterparts. The review of analytical applications is prefaced by a brief overview of QDs, with emphasis on their interfacial chemistry and bioconjugation.
