基于小分子识别的光电化学传感器用于组氨酸检测

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.230035

摘要/Abstract

摘要：

血清中组氨酸（His）水平异常变化可能与多种疾病相关，因此检测His具有重要的临床意义。光电化学（PEC）传感具有灵敏度高、操作简单、价格低廉和易于微型化等优点，是一种有潜力的临床检测手段。由于缺乏合适的识别机制，到目前为止PEC传感器用于His检测仍未见报道。本研究提出以小分子探针作为识别单元构建光电化学传感界面的方法，通过探针与His之间的特异性反应提高传感器的选择性。因此，构建的光电化学传感器具有较好的选择性、稳定性和重现性，可用于生物样品中His的定量检测。

关键词: 光电化学传感, 组氨酸, 有机小分子探针

Abstract:

Abnormal change of histidine （His） level in serum may be associated with various diseases， making the detection of His clinically significant. Photoelectrochemical （PEC） sensing has the potential to be a promising clinical detection method due to its high sensitivity， simple operation， low cost， and ease of miniaturization. However， to date， PEC sensing for His detection has not been reported due to the lack of suitable recognition mechanisms. In this study， we construct a PEC sensing interface using a small molecule probe as the recognition unit， and the selectivity of the sensor is improved through a specific reaction between the probe and His. The developed （PEC） sensor has good selectivity， stability， and reproducibility， which can be used for the quantitative detection of His in biological samples.

Key words: Photoelectrochemical sensing, Histidine, Small molecular probes

中图分类号:

O657

杨翠翠, 叶晓雪. 基于小分子识别的光电化学传感器用于组氨酸检测[J]. 应用化学, 2024, 41(1): 128-136.

Cui-Cui YANG, Xiao-Xue YE. Small Molecule Recognition Based Photoelectrochemical Sensor for Histidine Detection[J]. Chinese Journal of Applied Chemistry, 2024, 41(1): 128-136.

图/表 11

图1 （A）基于小分子探针识别的PEC传感界面用于检测His原理图；（B）探针NCH-Cu2+与His的反应机理

Fig.1 （A） Schematic of small molecule probe recognition based photoelectrochemical sensor for His detection；（B） Reaction mechanism of NCH-Cu2+ with His

图2 有机小分子NCH的合成路线

Fig.2 Synthetic route of the organic small molecule NCH

图3 CdTe QDs的XRD图谱

Fig.3 XRD pattern of CdTe QDs

图4 （A） CdTe QDs、NCH-Cu2+及其加入His后的UV-Vis吸收光谱；（B） NCH-Cu2+与不同浓度His（0、10、20、40、70和100 μmol/L）孵育后的UV-Vis吸收光谱

Fig.4 （A） UV-Vis absorption spectra of CdTe QDs， NCH-Cu2+ and NCH-Cu2+-His；（B） UV-Vis absorption spectra of NCH-Cu2+ in the presence of the varying amount of His（0， 10， 20， 40， 70 and 100 μmol/L）

图5 PEC传感器的（A）光电流响应和（B） EIS表征（A） Photocurrent responses of （a） bare ITO，（b） CdTe QDs/ITO，（c） CdTe QDs/ITO incubated with 60 μmol/L His，（d） NCH-Cu2+/CdTe QDs/ITO， and （e） NCH-Cu2+/CdTe QDs/ITO incubated with 60 μmol/L His. （B） EIS characterization of （a） bare ITO，（ b） CdTe QDs/ITO，（c） NCH-Cu2+/CdTe QDs/ITO，（d） NCH-Cu2+/CdTe QDs/ITO incubated with 60 μmol/L His

Fig.5 （A） Photocurrent response and （B） EIS diagram of PEC sensor

图6 电解液中AA浓度（A）、电极修饰过程中CdTe QDs质量浓度（B）、探针 NCH-Cu2+浓度（C）和反应时间（D）对光电流的影响

Fig.6 Effects of the concentration of AA （A）， CdTe QDs （B）， NCH-Cu2+ （C） and the reaction time （D） on the photocurrent response

图7 PEC传感器与不同浓度组氨酸孵育后的光电流响应（A）及标准曲线图（B）cHis： 0， 10， 20， 30， 40， 50， 60 μmol/L

Fig.7 The photocurrent responses （A） and calibration curve （B） of PEC sensor for detecting different concentrations of His

图8 PEC传感器的选择性

Fig.8 Selectivity of the PEC sensor

图 9 PEC传感器的（A）稳定性和（B）重现性

Fig.9 Stability （A） and reproducibility （B） of the constructed PEC sensor

图 10 PEC传感器检测大鼠血清中的His水平

Fig.10 Detection of histidine in rat serum by PEC sensor

表1 加标回收法测定稀释大鼠血清中的His

Table 1 Determination of His in diluted rat serum by the standard recovery method

Sample	Added ρ/（μg·mL^-1）	Detected ρ/（μg·mL^-1）	Recovery/%	RSD St/%
1	10	19.13	95.90	3.78
2	15	25.02	103.20	3.12
3	20	29.74	101.00	4.07

参考文献 26

1	MOULAEE K， NERI G. Electrochemical amino acid sensing： a review on challenges and achievements［J］. Biosensors， 2021， 11（12）： 502.
2	FREZZA C. Histidine metabolism boosts cancer therapy［J］. Nature， 2018， 559（7715）： 484-485.
3	TAYLOR R G， LEVY H L， MCINNES R R. Histidase and histidinemia. clinical and molecular considerations［J］. Mol Biol Med， 1991， 8（1）： 101-116.
4	ANAÏS F M NOISIER M J J， LAURENT K， et al. Late-stage functionalization of histidine in unprotected peptides［J］. Angew Chem Int Ed， 2019， 58（52）： 19096-19102.
5	MORO J， TOMÉ D， SCHMIDELY P， et al. Histidine： a systematic review on metabolism and physiological effects in human and different animal species［J］. Nutrients， 2020， 12（5）： 1414.
6	WU G. Amino acids： metabolism， functions， and nutrition［J］. Amino Acids， 2009， 37： 1-17.
7	BRANCO A C C C， YOSHIKAWA F S Y， PIETROBON A J， et al. Role of histamine in modulating the immune response and inflammation［J］. Media Inflam， 2018： 9524075.
8	SULLIVAN R J， INFANTE J R， JANKU F， et al. First-in-class ERK1/2 inhibitor ulixertinib （BVD-523） in patients with MAPK mutant advanced solid tumors： results of a phaseⅠdose-escalation and expansion studyphaseⅠtrial of ulixertinib， an oral ERK 1/2 inhibitor［J］. Cancer Discov， 2018， 8（2）： 184-195.
9	LEIJTEN N M， HECK A J R， LEMEER S. Histidine phosphorylation in human cells； a needle or phantom in the haystack？［J］. Nat Methods， 2022， 19（7）： 827-828.
10	POWELL T， KNIGHT M J， O'HARA J， et al. Discovery of a photoinduced histidine-histidine cross-link in an IgG4 antibody［J］. J Am Soc Mass Spectr， 2020， 31（6）： 1233-1240.
11	SATO Y， HOSHINO H， IKI N. High kinetic stability of ZnII coordinated by the tris（histidine） unit of carbonic anhydrase towards solvolytic dissociation studied by affinity capillary electrophoresis［J］. J Inorg Biochem， 2016， 161： 122-127.
12	JALILEHVAND F， GARCIA A E， NIKSIRAT P， et al. Binding of histidine and human serum albumin to dirhodium（Ⅱ） tetraacetate［J］. J Inorg Biochem， 2021， 224： 111556.
13	HARDMAN G， EYERS C E. High-throughput characterization of histidine phosphorylation sites using UPAX and tandem mass spectrometry［J］. Histidine Phosphoryl： Methods Protoc， 2020， 2077： 225-235.
14	HUA Y， LV X， CAI Y， et al. Highly selective and reproducible electroanalysis for histidine in blood with turn-on responses at a potential approaching zero using tetrahedral copper metal organic frameworks［J］. Chem Commun， 2019， 55（9）： 1271-1274.
15	ZHANG Z， HU Y， ZHANG H， et al. Layer-by-layer assembly sensitive electrochemical sensor for selectively probing l-histidine based on molecular imprinting sol-gel at functionalized indium tin oxide electrode［J］. Biosens Bioelectron， 2010， 26（2）： 696-702.
16	NAN C G， PING W X， PING D J， et al. A study on electrochemistry of histidine and its metabolites based on the diazo coupling reaction［J］. Talanta， 1999， 49（2）： 319-330.
17	TAO L， KONG Y， XIANG Y， et al. Implantable optical fiber microelectrode with anti-biofouling ability for in vivo photoelectrochemical analysis［J］. Chin Chem Lett， 2023， 34（3）： 107481.
18	YE X， WANG X， KONG Y， et al. FRET modulated signaling： a versatile strategy to construct photoelectrochemical microsensors for in vivo analysis［J］. Angew Chem Int Ed， 2021， 60（21）： 11774-11778.
19	SHU J， TANG D. Recent advances in photoelectrochemical sensing： from engineered photoactive materials to sensing devices and detection modes［J］. Anal Chem， 2019， 92（1）： 363-377.
20	ZHAO W W， XU J J， CHEN H Y. Photoelectrochemical DNA biosensors［J］. Chem Rev， 2014， 114（15）： 7421-7441.
21	XIANG Y， KONG Y， FENG W， et al. A ratiometric photoelectrochemical microsensor based on a small-molecule organic semiconductor for reliable in vivo analysis［J］. Chem Sci， 2021， 12（39）： 12977-12984.
22	MARTELL A E， SMITH R M. Critical stability constants（Vol.Ⅰ Amino acids）［M］. New York： Plenum Press： 1974： 4-69.
23	ZOU L， GU Z， ZHANG N， et al. Ultrafast synthesis of highly luminescent green-to near infrared-emitting CdTe nanocrystals in aqueous phase［J］. J Mater Chem， 2008， 18（24）： 2807-2815.
24	MENG Q， JIA H， GAO X， et al. Reversible and selective fluorescence detection of histidine using a naphthalimide-based chemosensing ensemble［J］. Chem-An Asian J， 2015， 10（11）： 2411-2418.
25	CHOUKAIRI M， BOUCHTA D， BOUNAB L， et al. Electrochemical detection of uric acid and ascorbic acid： application in serum［J］. J Electroanal Chem， 2015， 758： 117-124.
26	叶春，何执静. 长期游泳运动对非酒精性脂肪肝大鼠血清氨基酸谱的影响及分析［J］. 南京师大学报（自然科学版）， 2015， 38（2）： 122-127.
	YE C， HE Z J. Effect of long-term exercise on aminogram in serum in a rat model of non-alcoholic fatty liver disease［J］. J Nanjing Normal University （Nat Sci Ed）， 2015， 38（2）： 122-127.

[1]	何蔚, 邹嘉佳, 逯东伟, 程辉, 林翠梧. 两种组氨酸酰胺衍生物的合成及其与人血清白蛋白的结合[J]. 应用化学, 2017, 34(10): 1150-1160.
[2]	吴刚, 王小锋, 陈昌云, 张敏敏, 章守权, 陈豫. 氨基酸-表面活性剂体系合成CaCO3晶体[J]. 应用化学, 2010, 27(05): 567-571.
[3]	唐瑞仁, 刘长辉, 罗一鸣, 郭灿城. 组氨酸水杨醛Schiff碱铜（Ⅱ）配合物催化氧化β-紫罗兰酮的反应[J]. 应用化学, 2006, 23(7): 718-723.
[4]	鲁桂, 姚克敏, 张肇英, 沈联芳. 镧系与直链醚-组氨酸Schiff碱新配合物的合成、波谱与生物活性[J]. 应用化学, 2001, 18(1): 1-4.
[5]	陈德余, 徐元植, 陆建江, 冯亚非, 何玲. VO(Ⅱ)-组氨酸-π受体三元混配配合物的ESR波谱[J]. 应用化学, 1993, 0(3): 68-71.