荧光探针
荧光探针在生物传感器中的应用研究
荧光探针在生物传感器中的应用研究生物传感器是一种能够将生物成分转化为电信号的装置，利用生物成分的特异性，能够用来检测生物分子的存在和活性。
其中，荧光探针是生物传感器领域中常用的一种探针。
荧光探针可以通过荧光强度的变化来监测目标分子的浓度、特异性和空间分布等信息。
本文将会详细介绍荧光探针的工作原理，以及其在生物传感器中的应用研究进展。
一、荧光探针的工作原理荧光探针是一种可以发出荧光信号的分子，可以通过结构设计，实现特定的识别和信号放大功能，从而用于检测并定量分析特定的生物分子。
荧光探针的荧光发射强度受到多种因素的影响，例如环境温度、溶液 pH 值、离子强度等。
这些因素的变化都会影响荧光信号的强度和波长，从而影响荧光探针的检测灵敏度和特异性。
荧光探针的设计主要依据其工作原理。
其工作原理包括两个方面：第一，荧光探针与靶分子之间的特异性识别，这是实现高灵敏度和高特异性的关键。
第二，荧光探针与靶分子结合后会发生光化学反应或荧光共振能量转移等过程，导致荧光信号的变化。
二、荧光探针在生物传感器中的应用虽然许多荧光探针已经被广泛应用于生物传感领域，但生物分子的复杂性和多样性仍然对荧光探针的设计和应用提出了一些挑战。
以下是荧光探针在生物传感器中的应用研究进展的几个典型案例。
1. 荧光探针在生物标签上的应用生物标签是一种将荧光探针结合到所需要监测的靶分子上，用于定量或定性检测靶分子的方法。
由于靶分子的多样性，生物标签的设计和制备需要根据不同的靶分子结构特点进行调整。
目前，荧光探针在生物标签的应用主要包括：DNA/RNA中的荧光探针、细胞荧光探针和蛋白质荧光标记。
2. 荧光探针在病原体检测中的应用病原体的检测一直是生物传感器研究的主要领域之一。
荧光探针的出现不仅提高了检测病原体的检测灵敏度和特异性，同时也简化了检测过程。
例如，荧光共振能量转移（FRET）技术结合荧光探针可以实现快速、高灵敏度的单细胞病毒检测。
3. 荧光探针在人类疾病监测中的应用除了病原体检测，荧光探针还广泛应用于人类疾病监测领域。
taqman荧光探针的原理
taqman荧光探针的原理TaqMan荧光探针是一种常用于实时荧光定量PCR（Polymerase Chain Reaction，聚合酶链式反应）的探针。
其原理基于PCR扩增过程中的特定核酸序列的扩增和荧光信号的检测。
TaqMan荧光探针由三个部分组成：1. 引物（primers）：引物是设计用于扩增待测核酸序列的短小DNA 片段，通常有两个引物，一个用于扩增待测序列的起始位点，另一个用于扩增终止位点。
2. 探针（probe）：探针是一个含有荧光染料和一个对荧光染料发出信号具有抑制作用的化学修饰的短小DNA片段。
探针的序列与待测核酸序列的中间部分完全匹配。
3. Taq DNA聚合酶（Taq DNA polymerase）：Taq DNA聚合酶是一种热稳定的DNA聚合酶，能够在PCR反应中扩增DNA序列。
TaqMan荧光探针的工作原理如下：1. 引物与Taq DNA聚合酶一起作用，将待测核酸序列进行扩增。
引物会识别并结合到待测序列的起始位点和终止位点，Taq DNA聚合酶会沿着待测序列进行DNA合成，生成大量的扩增产物。
2. 在PCR反应中，TaqMan探针与待测序列中间部分的完全匹配，探针的5'端和3'端分别连接着两种不同的荧光染料（通常是荧光发射染料和荧光供体染料）。
3. 在PCR反应过程中，当Taq DNA聚合酶在扩增过程中到达探针的位置时，它会剪切探针，将发射染料和供体染料分离，导致荧光信号的释放。
4. 荧光信号可以通过实时荧光PCR仪器进行实时检测和记录。
荧光信号的强度与PCR反应中扩增产物的数量成正比，从而可以定量测量待测核酸的起始量。
TaqMan荧光探针的原理可实现高度特异性和灵敏度的实时定量PCR 分析，广泛应用于基因表达分析、病原体检测、基因突变分析等领域。
希望以上解释对您有所帮助。
如有任何进一步的问题，请随时提问。
荧光探针的应用领域
荧光探针的应用领域荧光探针的应用领域非常广泛，多用于生物医学、药物研发、环境监测、化学分析等领域。
以下是具体应用领域的介绍：1. 生物医学领域荧光探针被广泛应用于生物医学领域，如细胞成像、蛋白质分析、细胞代谢、细胞状态监测等。
1.1. 细胞成像荧光探针可以用于活体细胞和组织成像，通过改变荧光探针的结构和化学性质，可以使其在不同条件下发出不同的荧光信号，实现对不同细胞器和代谢过程的成像。
1.2. 蛋白质分析荧光探针可以用于蛋白质的分析，如蛋白质的抑制、激活、结合等，可以通过观察荧光强度的变化来监测蛋白质的功能。
荧光探针也可以用于细胞代谢的研究，如酶的反应、离子浓度变化等。
1.4. 细胞状态监测荧光探针还可以用于监测细胞状态的变化，例如细胞凋亡、活性氧的产生等重要过程。
2. 药物研发领域荧光探针也被广泛应用于药物研发领域，包括药物吸收、代谢和药效学等方面。
2.1. 药物吸收荧光探针可以用于药物吸收的研究，包括药物在不同场景下的吸附和释放，可以通过观察荧光信号的改变来解析不同方案下的药物吸收动力学。
荧光探针还可以用于药物代谢的研究，包括药物代谢产物的分析和代谢酶的活性测定等。
3. 环境监测领域荧光探针还可以用于环境监测领域，例如对污染物的探测、水质监测等。
3.1. 污染物检测荧光探针可以用于检测污染物，如重金属离子、有机污染物、农药等。
4. 化学分析领域荧光探针在化学分析领域也有广泛应用，如对有机分子的监测、金属配合物的分析等。
4.2. 金属配合物的分析荧光探针还可以用于金属配合物的分析，例如锌、铜等金属的配合物检测。
总之，荧光探针在生物医学、药物研发、环境监测、化学分析等多个领域有着广泛应用。
它能快速、准确地检测目标物质，成为这些领域中不可或缺的重要工具。
荧光探针的应用与进展课件
环境监测
污染物检测
荧光探针可以用于检测水体、土 壤等环境中的有害物质，如重金 属、有机污染物等，为环境污染 治理和生态保护提供技术支持。
生物毒性测试
荧光探针可以用来评估化学物质 对生物体的毒性作用，通过观察 荧光信号的变化，快速、准确地
评估环境中有害物质的风险。
生态研究
利用荧光探针标记生物个体或种 群，通过观察荧光信号的分布和 动态变化，研究生物在生态系统
开发适用于环境监测和食品安全检测的荧光探针，保障人类健康和 生态安全。
加强荧光探针的基础研究与人才培养
基础研究投入
加大对荧光探针基础研究的投入 ，支持科研团队开展创新性研究 ，推动荧光探针技术的持续发展 。
人才培养与交流
加强荧光探针领域的人才培养和 学术交流，鼓励跨学科合作与交 流，促进荧光探针技术的普及和 应用。
荧光探针与其他技术的结合应用
总结词
荧光探针与其他技术的结合应用是荧光探针领域的重 要发展方向，通过将荧光探针与其他技术相结合，可 以实现更高效、更准确的检测和诊断。
详细描述
随着各种技术的不断发展，研究者们将荧光探针与其 他技术相结合，如光学成像技术、质谱技术、纳米技 术等。这些技术的结合可以充分发挥各自的优势，提 高荧光探针的应用范围和效果。例如，将荧光探针与 光学成像技术相结合，可以实现生物体内的高清成像 和可视化检测；将荧光探针与质谱技术相结合，可以 实现蛋白质组学和代谢组学的高灵敏度检测。
荧光探针的分类
总结词
荧光探针可以根据激发波长、发射波长、荧光染料类型等进 行分类。
详细描述
根据激发波长，荧光探针可以分为紫外激发和可见光激发两 类；根据发射波长，可以分为长波长发射和短波长发射两类 ；根据荧光染料类型，可以分为荧光染料、荧光量子点、荧 光蛋白等类型。
1.3.2 荧光探针
荧光探针1 荧光探针所谓探针(probe )，在生物、化学学科中是指生物化学实验室中用于指示特定物质(如离子、生物小分子、核酸、蛋白质、细胞结构等)的性质或物理状态的一类标记分子，或者一些仪器的探测器。
目前所说的荧光探针通常是指生物分析与化学分析中用于荧光信号输出的各类标记物，它可以为人们提供待测生物分子在生物体内或体外的存在、表达、分布等各种信息，对于整个生物个体中物质代谢过程的研究具有重要意义。
基于荧光标记物的荧光分析法具有快速、简便、灵敏度高等优点，在分析化学、生命科学、医学等领域受到研究者的广泛关注。
然而对于大多数被分析物来说，其本身可能没有荧光或者荧光很弱，这就需要将一些发荧光的物质与其偶联，从而对其进行分析和示踪。
目前荧光探针根据荧光来源主要包括三大类：第一类是有机小分子染料;第二类是以绿色荧光蛋白为代表的荧光蛋白；第三类是荧光纳米材料。
1.1 有机小分子染料早在1871年，德国科学家Adolph V on Bayer就合成了荧光素，这是科学家首次合成荧光探针。
目前，基于有机小分子的荧光探针在分析化学、生命科学领域中己经得到广泛应用，可用于离子和小分子的检测、蛋白质的标记、细胞成像等。
常见的有机荧光探针包括荧光素类、罗丹明类、花菁类、香豆素类和稠环芳烃类染料等。
这些染料大多含有发射荧光基团(如拨基、氮氮双键、碳氢双键等)和助色基团(经基、伯胺基、仲氨基、酞胺基、醚键等)。
其中仅吲哚菁绿和荧光素两种荧光染料被美国食品和药品监督管理局(FDA)批准在人体中使用。
基于有机小分子探针的生化分析应用主要分为直接法和间接法。
直接法是指利用探针本身与靶标的相互作用，使其荧光发生变化(荧光减弱、荧光增强、荧光蓝移、荧光红移等)(图1.1）。
如Yin课题组运用BODIPY ( 4,4-difluoro-4-bora-3a, 4a-diaza-s-indacene)作为原料，合成了可以快速高灵敏地响应铜离子的近红外荧光探针，且铜离子熄灭的荧光又能被重新加入的硫离子竞争得到恢复，因而构建了一个新颖的铜离子和硫离子逻辑门传感器；Li等以罗丹明B为原料，经过改性得到了高灵敏、专一性强且快速响应Fe3+的“off-on”型荧光探针。
荧光探针定义
荧光探针定义
荧光探针（Fluorescence probe），又被称作荧光化学传感器，是一类具有特征荧光的分子，它们可以根据所处环境的性质的变化，如极性、折射率、粘度等，而灵敏地改变自身的荧光性质，如激发和发射波长、强度、寿命、偏振等。
荧光探针在紫外-可见-近红外区有较强的荧光信号，因此可以用于对不同物质或生物过程的检测和标记。
荧光探针的发光原理主要是基于荧光现象，即当物质受到激发后，能够释放出一种特定波长的光信号。
荧光探针的应用十分广泛，可以用于探测分子的浓度、位置和相互作用，例如蛋白质、核酸、离子和小分子等。
荧光探针在生物医学研究、药物开发、环境监测等领域都有重要的应用价值。
此外，荧光探针还可以通过与其他技术相结合，如显微镜、流式细胞术和光谱学等，来实现对生物体系的多维度观测和分析。
荧光探针具有成本廉价、灵敏度较高、操作简捷容易、能够远距离发光、选择性优良、不容易受外界电磁场的影响、稳定性高、不需要预处理等优点。
总的来说，荧光探针是一种重要的分析工具，具有广泛的应用前景和重要的科学价值。
常见的小分子荧光探针种类
常见的小分子荧光探针种类1.引言1.1 概述小分子荧光探针是一类被广泛应用于生物领域的化学工具，通过其具有的荧光性质，可以用于生物成像、药物传递、疾病诊断等方面。
小分子荧光探针具有分子结构简单、稳定性好、探测灵敏度高等特点，在生物学研究中起着重要的作用。
小分子荧光探针的种类繁多，根据其不同的结构和功能特点，可以分为许多不同的类别。
常见的小分子荧光探针包括有机荧光探针、金属配合物荧光探针、聚合物荧光探针等。
有机荧光探针是指由有机化合物构成的荧光探针，其分子结构多样，可以通过调整结构来实现特定的探测目标。
常见的有机荧光探针包括荧光染料、荧光蛋白等。
荧光染料具有较强的荧光强度和良好的化学稳定性，可以用于细胞成像、生物传感等领域。
荧光蛋白是一类来源于特定生物体的蛋白质，其具有自身天然的荧光性质，可以通过基因工程技术进行改造和调整，广泛应用于生物研究中。
金属配合物荧光探针是指由金属离子与配体形成的荧光探针，其具有较强的荧光性能和较长的寿命。
金属配合物荧光探针具有选择性较高的特点，可以用于特定金属离子的探测和诊断。
常见的金属配合物荧光探针包括铜离子、锌离子、铁离子等的配合物。
聚合物荧光探针是指由高分子聚合物构成的荧光探针，其具有较好的溶解性和稳定性。
聚合物荧光探针可以通过调整聚合物的结构和链长来实现特定的探测需求。
常见的聚合物荧光探针包括聚合物分子探针、聚合物纳米探针等。
总之，常见的小分子荧光探针种类繁多，具有不同的结构和功能特点，可以根据具体的研究需求选择适合的荧光探针进行应用。
这些小分子荧光探针为生物学研究提供了有力的工具，有助于深入理解生命的基本过程和疾病的发生机制。
未来，随着技术的不断发展和突破，相信小分子荧光探针在生物领域的应用会得到更广泛的推广和应用。
1.2文章结构1.2 文章结构本文主要围绕"常见的小分子荧光探针种类"展开讨论。
文章分为引言、正文和结论三个部分。
在引言部分，将进行概述、文章结构和目的的介绍。
生物荧光探针的原理及应用综述
生物荧光探针的原理及应用综述1 生物荧光探针的基本原理荧光探针是指能够通过荧光发射产生信号的分子或化合物。
荧光分子能够吸收特定波长的光并以较长波长的荧光形式发射出来。
在生物研究中，荧光探针可用作分子标记，以跟踪生物分子（如蛋白质、核酸、糖类等）在细胞或组织中的分布、动态变化等。
荧光探针可分为非共价和共价两种类型。
非共价荧光探针一般应用于无细胞或无机物中。
共价探针则是通过共价键与目标分子结合并发出荧光信号。
生物荧光探针的共价基本原理包括：探针与目标分子产生共价结合，导致荧光氧化还原反应、光致断裂产生荧光等过程。
2 常见的生物荧光探针类型2.1 荧光染料荧光染料是指能够特异性地与目标分子结合从而发出荧光信号的化合物。
荧光染料可以自然地、共价地或靶向结合到特定的细胞结构或生物分子中。
常见且热门的荧光染料有荧光素、FITC、罗丹明、乙烯基荧光染料等。
2.2 荧光蛋白荧光蛋白原是从发光细菌中发现的蛋白质，是一种能发出强光的天然荧光染料。
在细胞或组织研究中，人工合成的荧光蛋白（如绿色荧光蛋白、红色荧光蛋白、黄色荧光蛋白等）被广泛应用于荧光显微镜分析、蛋白质标记、酶观察等方面。
2.3 量子点量子点是一种具有独特光学特性的新型探针，是一种纳米级别的半导体颗粒。
量子点利用电子从价带到导带的跃迁，通过吸收和发射光来产生荧光。
由于其非常小的粒径和荧光能量可调性，量子点在分子标记、细胞成像、癌症诊断、药物递送等领域呈现出广泛的应用前景。
3 生物荧光探针在生物学领域的应用生物荧光探针在生物研究中具有广泛的应用，在许多领域都发挥着重要的作用。
3.1 细胞成像在生物领域，荧光探针广泛应用于细胞成像。
它们能够用来对细胞结构、蛋白质位置、细胞凋亡等进行标记，并通过荧光显微镜观察。
荧光探针能够让研究者追踪分子的位置和行为，显示环境的变化以及让人们更好地理解细胞如何工作。
3.2 蛋白质标记生物荧光探针可以连接到蛋白质上，使得研究者通过荧光显微镜观察特定蛋白质在细胞中的运动和位置。
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检测原理
背景知识---荧光探针的机理 ￭顺磁性荧光猝灭 ￭光诱导电子转移机理 ￭光诱导电荷转移机理 ￭荧光共振能量传递 ￭激基缔合物或激基络合物的形成
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检测原理
顺磁性突光猝灭---猝灭型荧光探针
Cu2+是d9结构的顺磁性离子，荧光团系统内交叉能量传递(isc)速度更快，
促进了体系间跨越，使得激发单重态的荧光分子转变至三重态，这是
￭罗丹明类阳离子荧光探针具有良好细胞膜渗透性以及对细 胞无毒副作用，在活体或活细胞中也可用它来做探针。
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《罗丹明类荧光探针的合成及对铜离子的检测》
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1
研究背景
常见的检测方法
01
灵敏度较低 选择性较差
原子吸收 光谱法
高效液相色 谱法
对仪器要求 较 高、分析 成本高
对仪器要求 较高、分析
成本高
荧光光谱法
简便、快捷 灵敏度高、 选择性好、 成本低等优 点
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2
Contents
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10
实验部分
二、溶剂体系对RA和Cu2+反应的影响
可见，纯水或在纯乙腈中，Cu2+和探 针RA之间相互作用不明显，体系的荧 光强度很弱。当CH3CN/H2O的体积比 在1B9~9B1之间时，探针RA可对Cu2+ 进行很好地识别。其中，CH3CN/H2O 的体积比为1：1时，荧光强度已接近 最大；再增加乙腈的含量，虽然体系的 荧光强度未降低，但增加有机试剂的用 量对环境和生物体系的测试均不利，因 此选择V(CH3CN) /V(H2O)=1：1进行 测试。
荧光猝灭的主要原因，对荧光具有极强的猝灭。
大多数报道的铜离子荧光分子探针都是荧光猝灭型的。探针识别客
体时荧光猝灭不仅不利于高通量信号输出，而且其它猝灭过程也易引起
干扰，所以开发高灵敏、高选择性的荧光增强型铜离子荧光分子探针具
有重要意义。
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7
检测原理
光诱导电子转移机理(PET过程)---荧光增强
“turn －on”类型
目
录
0 1
研究背景
检测原理
0 2
0 3
实验部分
实验结论
0
4
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3
研究背景
Cu2 +
Cu2 + 生物体中基本的微量元素一; 生物体内过量摄入的铜也会产 生毒性; 采用荧光探针的方法检测铜离 子，尤其是跟踪其在化学反应 和生命活动中的作用过程具有 重要的意义．
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4
检测原理
背景知识---荧光探针
• 典型的荧光探针由识别基团(受体)，荧光团和连接二者的 连接基团所组成。受体和底物结合后,导致受体分子光物理性 质的变化,具体表现为荧光团部分发生突光猝灭或增强。
End
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16
￭常见的有机染料分子如罗丹明、荧光素、香豆素等具有 价格便宜、容易修饰及光谱性质丰富等特点，成为理想的 金属离子探针生色团。
￭在这些染料分子中，罗丹明类化合物因具有摩尔消光系数 高、光稳定性好、荧光量子产率高、对 pH不敏感、较长 的激发波长和发射波长等优异的光物理和光化学性能，从 而被广泛的应用于离子探针的设计中。
四、离子选择性
在5Lmol/L RA的乙腈/水(体积比 1：1)溶液中分别加入50Lmol/L 不同种类的常见金属离子,室温 下反应2 h.被测试的金属离子有 Na+, K+, Mg2+,Ca2+, Mn2+, Cd2+, Cr3+, Co2+, Ni2+, Ag+, Pb2+, Zn2+, Fe3+, Hg2+和Cu2。
a
14
实验结论
RA荧光探针有如下优点：
①
灵敏度高、 选择性好
②
③
其荧光发射 波长在可见 区，用在细 胞中可避免 细胞自身荧 光和背景散
激发波长所 需的能量较 低,避免了高 能量的激发 波长对细胞
射的影响。
造成的潜在
伤害
a。
④
在水溶液中 检测Cu2+的 有效pH范围 宽。
15
欢
迎 提
问
Thyoaunk
原理：识别基团很强的给电子能力，能够将其处于最高占有轨道(HOMO)上的电子,转 入激发态的荧光团因电子激发而空出的HOMO，从而使突光团被光激发的电子无 法直接跃迁回基态轨道发出突光,从而导致突光团辞灭；但是当识别基团与被识别 客体相结合后,识别基团的给电子能力降低，使受体的HOMO低于荧光团的HOMO， 导致PET过程减弱,或不再发生,突光团能够放出荧光。
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实验部分
三、pH对RA荧光光谱的影响
结果表明,探针RA在较宽的pH范围 内(4.1~10.5)主要以螺环形式存在, 其水溶液既无颜色又几乎无荧光, 表明它是一个对pH不敏感的荧光 分子探针,经拟合计算得pKa=3.00. 本论文选用CH3CN/H2O(体积比 1:1)体系进行试验。
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12
实验部分
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8
实验部分
测定荧光光谱
Cu2+浓度逐渐增大，RA的荧光 强度大幅度增加，最大发射波长 由565 nm红移到571 nm，也证 明了探针分子发生了开环，形成 了共轭体系较大的荧光体系。
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9
实验部分
一、时间对RA和Cu2+反应的影响
可以看出，反应刚开始时体系荧光 增强的速率较快，但1 h后荧光增强 的速率变慢,，2 h后荧光强度变化 很小，几乎形成了一个平台，说明 RA和Cu2+的反应基本完成。 本文选择RA和Cu2+反应2 h后进行 测试。
除了Hg2+有很小的荧光响应外, 其它常见的共存金属离子未表现 出荧光增强性能。 因此, RA是一个高选择性荧光增 强型Cu2+探针。
a
13
实验部分
铜离子含量的测定
在6.5×10-8~2.9×10-6mol/L范围内， Cu2+的浓度与相对荧光强度(△F=F-F0） 呈良好的线性关系，线性回归方程为△ F=3.43c-0.07(c的单位是10-6mol/L),相关 系数R2=0. 9989.测定11次探针空白,得标 准偏差为5.72×10-8,以3倍标准偏差计算 得到检出限为5. 0×10-8mol/L。