基于偶氮苯的光开关分子探针与传感芯片研究进展.pdf

第43卷
分析化学( FENXI HUAXUE)评述与进展
第3期
2015年3月
Chinese Journal of Analytical Chemistry
433-443
DOI:10.11895/J.isn.0253-3820.140914
评述与进展
色ーいとと示と示
基于偶氮苯的光开关分子探针与传感芯片研究进展
钦传光鲁彩霞欧阳高伟钦可2张峰′王晓辉石海通
(西北工业大学理学院应用化学系,教育部空间物理与化学重点实验室,
陕西省高分子科学与技术重点实验空,西安710129)
2(清华大学理学院化学系,北京100084)
摘要随着人们对偶氮笨光致异构化反应机制和特性的研究和认识越来越深入透彻,偶氮苯行生物无论
是在理论上还是在实验方面都受到了大量的关注。近年来,偶氮本衍生物作为光开关响应的功能元件不仅
已经用于合成智能聚合物,液晶材料,分子开关和分子机器等,而且正迅速地渗透到化学生物学体系研究和
分析的各个方面。因此,本文将着重就基于偶氮苯衍生物功能化的光开关型分子探针与传感芯片及其在化
学生物学分析研究方面所取得的最新进展进行总结和综述。引用103篇文献,并对未来的发展前景进行了
展望。
关键词偶氮苯衍生物;分子探针;传感芯片;生物分析;光开关;分子识别;综述
偶氮苯类化合物的发现可以追溯到19世纪,迄今已经成为化学化工、食品、医药和轻工等诸多行
业中一类举足轻重的显色剂、中间体、染料或着色剂?。偶氮苯1存在两个同分异构体:反式( Trans)
异构1(E)和顺式(Cis)异构体1(Z)。不同的空间排列导致不同的物理和化学性质。偶氮苯的光致异
构化反应诱发偶极矩的急剧变化(从反式=0.5D,而以瓶武数案=3.1D),进而决定了E和Z同分异
构体疏水和亲水特性。反式偶氮苯1(E)不是平面结构,其二面夹角NN-C-C大约是17.5°,而顺式偶
氮萃1(Z)中一个苯环所占据的平面与另一苯环的平面呈56°夹角。因此,偶氮苯的顺、反异构体中4
和4-位置上的两个碳原子之间的距离分别是9.0和5.0A。反式偶氮苯1(E)的紫外-可见吸收光谱特
征由3个主要的带组成:(1)在228nm处的带源于在苯基上定域的T-m跃迁;(2)在318m处的带
源于在包括两个氮原子的整个分子上离域的对称允许m-m'跃迁;(3)在440m处的带源于发生在中
央氮原子上对称禁阻的n-m“跃迁。值得注意的是,顺式偶氮苯1(Z)的紫外-可见吸收光谱相当不同
于1(E),其260nm的带源自对称允许的m-m'“跃迁,而反式异构体的这个带位于318nm处(图1)。
00
816000
UV
4 Vis or heating
80c
4000
9.0A
200250300350400450500
入(nm)
图1偶氮苯顺反异构体的化学结构、光致互变异构及其吸收光谱特征
Fig 1 Chemical structrure, photo-induced isomerization and Uv-vis spectrum of azobenzene isomers
随着人们对偶氮苯光致异构化反应机制和特性的研究和认识的逐渐深入,偶氮苯衍生物无论是在
2014-10-08收稿;2014-12-22接受
本文系国家自然科学基金(Nos.20672086,20802057)、国家级大学生创新创业训练计划项目(No.201410699074)、陕西省自然科学基
础研究讨划重点项目(No.2012JZ2002)和西北工业大学研究生创业种子基金项目(No.22014073)资助
wE-mail:qinchg@nwpu.edu.cn
分析化学
第43卷
理论上还是在实验方面都受到了大量关注。近年来,偶氮苯衍生物作为光开关响应的功能元件不仅已
经用于合成智能聚合物?、液晶材料、分子开关和分子机器",而且正迅速地渗透到化学生
物学体系研究和分析的各个方面2。本文将着重就基于偶氮苯衍生物功能化的光开关分子探针与
传感芯片及其在化学生物学研究方面所取得的最新进展进行综述。
2偶氮荞衍生物功能化光开关分子探针
小分子偶氮化合物具有光致异构的特性,最近被运用于生物系统中作为生物分子(如多肽和蛋白
质)的“光开关”,可以实现对多肽和蛋白质分子构象进行可逆的光化学操作过程,还可以让多肽和蛋
白质等生物分子产生有活性与无活性的转换调控。如图2所示, Rodrigue- Redondo等合成了芳香
偶氮衍生物2并观察到其光致顺反异构特性,用波长410nm的光照射反式2(E),可以转化为其顺式
异构体。相反,若用波长675mm的光照射或加热处理顺式2(Z),则可以转化为其反式异构体2
(E)?。 Siewertsen等研究了桥环偶氮苯3的光致顺反异构特性,发现其顺式异构体3(Z)(黄色)在
385nm光的照射下可转变为其反式异构体3(E)(红色),而用520mm光照或加热处理反式3(E)时,
可以令其恢复到3(の)的顺式结构?。 Kawashima研究组采用邻位碘代偶氮苯行生物4为原料,合成
了一系列的芳香偶氮桥杂环化合物5和6,并探讨了这些化合的环己烷溶液的荧光激发性质。可
见,芳香偶氮衍生物经功能化后,可作为光开关,调控分子和生物荧光成像剂。
在设计合成光控生物分子时,偶氮化合物开关的光控异构必须考虑以下几个问题:(1)光致异构开
关分子必须以某种方式连在生物分子上,影响生物分子的活性和功能。这取决于作用位点、偶氮开关
与多肽或蛋白质相连方式和偶氮行生物的使用类型等因素。(2)由于顺式和反式异构体的吸收光谱有
重叠,照射产生的光稳定态顺式异构体所占比便最多为80%,而反式所占比例最多可达95%。热致
顺-反弛豫,会产生约100%的异构体。(3)为研究体内光控,异构化的波长必须与细胞和组织相容
较长波长的光可以较容易地穿透细胞和组织,且不被细胞内的其它生物大分子所吸收(如NADH)。
(4)偶氮衍生物引入细胞后必须是稳定的,不能改变或退化;同时,在探测细胞过程中,它必须经历多
次光开关作用。为探索满足这些要求的新型偶氮光开关分子,研究者设计合成了一系列偶氮苯衍生
物,并将它们与模式多肽交联,研究其调控生物分子的构象和活性特征,筛选并优化偶氮光开关分子
结构p2。例如,以合成的桥环偶氮苯衍生物作为光开关,交联到-螺旋肽上形成光调控分子7,研
究其光响应特性(图3)?,发现7的反式异构体可以稳定多肽的α-螺旋构象7(E),当受到518nm光
照射后,会异构化而形成顺式的7(Z),同时,肽的a-螺旋构象遭到破坏而变成无规线状构象,颜色也
由反式的红色变为顺式的黄绿色。而在407nm光照射下,又恢复到-螺旋构象7(E)。另外,也有人
合成了一系列的光开关型环肽,用于研究光对环肽构象的调控变化情况23。
在有生物活性的分子(如蛋白质)中引人偶氮苯分子片段,能够使各种不同的生物过程通过光照进
行时空控制2-2。可以通过直接时空调控酶活性,多肽、蛋白质、核酸2,】,、受体3-劉、离子通
道等,或是通过调节儿种标记分子的浓度实现对生物过程的时空光控。这个策略是非常有吸弓
力的,因为它可以控制生物大分子的构象,在没有添加任何额外试剂的前提下就能以可逆的方式对生
物分子的活性进行调控。由异构化引起的结构效应能够被主体放大或引发一…系列的光物理或光化学的
二级响应。偶氮苯在生物学中的应用研究发端于上世纪60年代末期,首次报道其用于光调