钾离子是维持和调节身体机能的重要矿物质,参与多种新陈代谢,与糖原和蛋白质合成有密切关系,能调节细胞内外液体的渗透压及酸碱平衡和影响神经肌肉组织的兴奋性。钾离子浓度异常,对细胞膜的功能影响很大,可引起神经、平滑肌、心肌等严重的功能障碍,与多种疾病相关。因此,钾离子的检测方法和高准确度倍受关注,需要开发快速、可靠、定量分析钾离子的方法对于医学诊断是重要的。
Potassium ion is an important mineral to maintain and regulate body function. It is involved in many kinds of metabolism. It is closely related to glycogen and protein synthesis. It can regulate osmotic pressure of liquid inside and outside cells, acid-base balance and affect excitability of neuromuscular tissue. The abnormal concentration of potassium ion has a great influence on the function of cell membrane, which can cause serious dysfunction of nerve, smooth muscle and myocardium, and is related to many diseases. Therefore, the detection methods and high accuracy of potassium ions have attracted more attention. It is necessary to develop a rapid, reliable and quantitative method for the analysis of potassium ions for medical diagnosis.
检测,钾离子,传感器, Detection Potassium Ion Sensor Research用于检测钾离子的传感器的研究进展
2016年Shan Zhang等 [1] 利用双标记凝血酶寡核苷酸适配体的衍生物来检测血清中的钾离子。在凝血酶寡核苷酸与钾离子形成G-四联体之后,通过两端的荧光基团实现荧光共振能量转移(FRET)来检测钾离子。如图1所示(图片来源:Specific detection of potassium ion in serum by a modified G-quadruplex method)。
2016年Jingjing Dong等 [8] 利用3,4,5-三甲氧基苯乙二醛(TMPG,是一种特殊的化学荧光试剂)和ssDNA进行钾离子的测试。在水溶液中TMPG可以与鸟嘌呤立即发生反应 [9],富含鸟嘌呤的ssDNA可以与TMPG反应产生很强的荧光 [4],但是当ssDNA折叠形成G-四联体后,荧光会显著降低。如图4所示(图片来源:Rapid and sensitive detection of potassium ion based on K(+)-induced G-quadruplex and guanine chemiluminescence)。这种方法可以检测尿液中的钾离子,并且检测过程可以在5分钟内完成,检测限为9 μM。
图3. GO放大荧光各向异性的概念和原理用于无标记检测K+的示意图
图4. K+检测示意图。TMPG 3,4,5-三甲氧基苯乙二醛
2016年Le Yang等 [5] 首次使用一种基于G-四联体的检测方法,能够直接通过荧光方法检验血液中的钾离子。为避免受到背景吸收和血液自身荧光的干扰,使用两个光子激发的配体EBMVC-B[(乙基-4-[3,6-双(1-甲基-4-乙烯基吡啶碘)-9氢-咔唑-9-基]丁酸乙酯]作为荧光报告分子。钾离子可以诱导G-四联体的形成,并与EBMVC-B进行结合。如图5所示(图片来源:Direct Fluorescent Detection of Blood Potassium by Ion-Selective Formation of Intermolecular G-Quadruplex and Ligand Binding)。这种方法线性响应范围为0.5~10 mM,血液中钾离子浓度范围匹配。
利用碳点表面的−OH和COO−可能形成氢键,从而形成一种环状结构,这种结构类似于冠醚,对金属离子具有敏感和选择性结合特性 [7] [10],在钾离子与空腔结合后,钾离子和氧供体原子的孤对电子之间的强相互作用可以产生更稳定的结构,由此导致碳点的荧光猝灭。如图6所示(图片来源:Carbon dots as a fluorescent probe for label-free detection of physiological potassium level in human serum and red blood cells)。此方法检测限为1.0 × 10−12 M。其结果与目前临床诊断中使用的离子选择性电极法获得的结果基本一致,具有需样量少、成本低廉、精度良好、易于检测等优点,但也存在荧光强度随着pH值的增加而降低,碳点的随着激发波长的改变其产生的荧光也会有所改变的缺点 [11]。
图6. 碳点作荧光探针检测血清中钾离子示意图
2016年Marta Jarczewska等 [12] 开发了DNA适配体作为识别层,用来检测钾离子的电化学传感器。通过Au-S键将硫醇化的适配体探针固定在金电极上,比较氧化还原指示剂亚甲基蓝(MB),蒽醌-2-甲基磺酸钠(AQMS)和Na4Fe(CN)6的电流变化,使用方波伏安法(SWV)测定钾浓度。如图7所示(图片来源:Direct Fluorescent Detection of Blood Potassium by Ion-Selective Formation of Intermolecular G-Quadruplex and Ligand Binding)。研究表明,与钾离子结合的适配体序列中,当15-mer凝血酶适配体对钾的亲和力最高,适配体在10−8至10−5 M范围内表现出线性响应,检测限为2.31 × 10−9 M。
图7. 在钾离子存在下适体生物传感器的行为
5. 电化学阻抗谱传感器
2014年Peng Miao等 [13] 利用钾与特异性适配体结合和RecJf核酸外切酶来检测钾离子。在金电极上修饰具有茎环结构的DNA探针,钾离子可以特异性结合适配体并形成G-四链体结构,破坏了茎环结构。5’末端可以通过RecJf外切核酸酶进一步反应,释放钾离子,释放的钾离子可以与电极上的另一个DNA探针结合,在由钾离子引发的RecJf外切核酸酶切割循环后,电化学信号强度显着降低,可用于确定钾离子的浓度,检测限为50 nM。如图8所示(图片来源:An aptasensor for detection of potassium ions based on RecJ(f) exonuclease mediated signal amplification)。
2018年Mahboube Naderi等 [15] 在适配体传感器中利用金纳米颗粒和阳离子染料去检测钾离子。利用反应后出现的不同颜色(橙色和绿色之间)来区分溶液中有无钾离子。众所周知传感器改变颜色是由金纳米颗粒溶液的离子强度所影响,金纳米颗粒的大小有离子电势有关,离子电势越大,聚集越多,随后颜色向蓝色范围移动。最初,吸附有适配体的金纳米颗粒加入染料后呈现橙色,这可能是由于混合颜色(红色的金纳米颗粒和黄色的染料,在420 nm和530 nm处可观察到紫外–可见峰),加入钾离子后,与适配体之间的高亲和力导致适配体与金纳米颗粒表面解离,钾离子与适配体形成G-四链体结构,由于阳离子染料会引起的金纳米颗粒的聚集,添加染料后颜色从橙色变为绿色,这可能是蓝色(聚合的金纳米颗粒的颜色)和黄色的组合,紫外光谱通过530 nm的吸收峰降低和700 nm的吸收强度增强所致。如图9所示(图片来源:Naked-eye detection of potassium ions in a novel gold nanoparticle aggregation-based aptasensor)。这种传感器不需要将核酸固定到纳米颗粒上,也不需要添加过量的盐,并且在染料的作用下,不同浓度钾离子溶液的颜色变化会更加明显,此方法检测限为4.4 nM。
图9. 钾离子传感器示意图
2019年Jiaoyan Qiu等 [16] 通过冠醚改性金纳米粒子检测钾离子。其原理是冠醚可以通过Au-N键固定在金纳米粒子表面,钾离子与冠醚可以进行螯合作用,从而诱导了金纳米颗粒的聚集。金纳米颗粒溶液的颜色从酒红色变为灰色,并在620 nm附近出现一个特征吸收峰;也就是说,4-氨基苯并-18-冠-6(ABC)和钾离子之间形成2:1的稳定三明治复合结构,由于尺寸匹配,会诱导ABC修饰的金纳米颗粒的聚集。如图10所示(图片来源:Rapid colorimetric detection of potassium ions based on crown ether modified Au NPs sensor)。通过金纳米颗粒的聚集和表面等离振子共振(SPR)吸收峰的变化,用于钾离子的定性和定量分析,此方法肉眼检测限为40 μM,紫外可见光谱检测限为5.24 μM,并且仅需20分钟即可完成检测。通过进行尿液样品的测试后,与电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)检测的结果较为一致。
图10. ABC修饰的AuNPs比色检测钾离子机理
2019年Gang Shen等 [17] 利用手性菁染料/TBA配合物的组装和拆分,建立了一种高选择性、高灵敏度的直接检测钾和铅离子的方法。通过紫外–可见光谱测量,染料DMSB(3-乙基-2-[3-(3-乙基-3-苯并硒偶氮-2-亚立德)-2-甲基丙-1-烯基]苯并硒偶氮溴化物)可被凝血酶结合适体(TBA)G-四链结构激活。只有在K+存在下形成的TBA-g4plex能强烈诱导DMSB的J-聚集信号。由于Pb2+离子能以比K+更高的效率结合和稳定TBA的G-四链,当Pb2+存在时,DMSB的J-聚集信号急剧下降。结果表明,DMSB的组装和拆卸可分别对10 μM K+和20 nm Pb2+进行选择性检测,即使竞争性钠离子(Na+)高达145 mM。在0.5~5.0 mM和200~2000 nM范围内,J-集料强度与K+和Pb2+浓度呈线性相关。如图11所示(Direct detection of potassium and lead (II) ions based on assembly-disassembly of a chiral cyanine dye/TBA complex)。此外,本方法还测定了人血清样品中K+ (∼3mm)和Pb2+ (20nm以下)的浓度,与电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)一致。这项工作不仅为进一步开发基于G-四极体的复杂实际系统的aptasensor打开了一扇门,而且为临床离子检测提供了一个简单、通用的传感平台。
图11. K+和Pb2+离子检测示意图
本方法具有三个重要的特点:1) 在不受其它金属离子干扰的情况下,对K+和Pb2+具有良好的选择性。最重要和有趣的是,即使在145 mM Na+存在下,10 μM K+和20 nm Pb2+也可以很容易地被检测到;2) 它简单,省去了DNA共价修饰的需要,大大降低了成本;3) 可用于人血清中K+和Pb2+的测定。这些重要的特性使这种新型的无创传感器在临床研究和诊断中具有广阔的应用前景。
这种方法可以实现钾离子的定性检测,并且结合反应和拉曼散射光谱,可以实现钾离子的定量检测。检测时样品无需经过预处理。钾–亚硝酸钴钠的特征拉曼峰在827 cm−1处,可以通过此特征峰来证明钾离子的存在,具有良好的重复性和重现性,检测线可以达到0.01 mM,可用于钾离子的定量、定性分析,并且整个检测过程仅需要2分钟就能完成。这是一种用少量样品进行快速检测含有大量钠离子的人血清中钾离子含量的方法。如图12所示(图片来源:Detection of physiological potassium ions level in human serum by Raman scattering spectroscopy)。
孙梓嘉,孙洪海. 用于检测钾离子的传感器的研究进展Research Progress of Sensors for the Detection of Potassium Ions[J]. 化学工程与技术, 2020, 10(04): 283-292. https://doi.org/10.12677/HJCET.2020.104036
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