组成图示
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传感器类型
量子点生物传感器
检测对象
可交换铅离子（exchangeable Pb2+，以 Pb(NO3)2 标准品）；样品基质：50 mM MOPS 缓冲液（pH 7.5）及兔红细胞悬液（1% 血细胞压积）
检测原理
该传感器以工程化磷酸结合蛋白 PBP·Pb2+ 为识别元件，其结合位点按 Pb2+ 立体活性孤对电子（SALP）配位几何设计，含 His2Cys2 配位和 Arg135 静电排斥四面体配位。Pb2+ 结合后诱导蛋白双域闭合，改变表面 Cys 连接的钌配合物 complex 1 与量子点之间的距离/取向，使 complex 1 与量子点之间的电子转移增强，从而猝灭量子点荧光。结合等温线显示两个结合事件，高亲和单体 Pb2+ 位点和低亲和双核位点，使发射强度随 Pb2+ 浓度下降。InGaP@ZnS 发射 >620 nm，避开血红蛋白吸收，可在红细胞悬液中读出荧光信号。
检测灵敏度
LOD: 100 pM Pb(NO3)2；线性范围: 100 pM–1 µM；R（相关系数）= 0.974–0.996；KA1 = 1 × 10^9 M^-1；KA2 = 3.5 × 10^6 M^-1（CdSe@ZnS）/1 × 10^7 M^-1（InGaP@ZnS）；LOD: 5 nM Pb(NO3)2（红细胞存在下）
效应效果
传感器对 10 mM Ca2+、10 mM Mg2+、100 µM Zn2+、Cd2+ 和 Ni2+ 无响应，Pb2+/Ca2+ 选择性 >10^8，Pb2+/Zn2+、Cd2+、Ni2+ 选择性 >10^6；Cu2+、Co2+、Hg2+ 可猝灭，其中 Cu2+ 和 Hg2+ 在 MT 包覆量子点上也强猝灭，属封端限制。CdSe@ZnS 体系量子产率 15%–20%，InGaP@ZnS 蛋白修饰后 4%–8%；n=3，样品间变化小。InGaP@ZnS 在 1% 红细胞悬液中 LOD 为 5 nM，比色皿饱和猝灭 26%，显微镜下 71%，差异主要来自光散射。作者认为该平台可检测红细胞周围可交换 Pb2+，支持铅中毒通量成像。
传感器的构成
- 换能器/荧光纳米颗粒：CdSe@ZnS 或 InGaP@ZnS 量子点，提供可调荧光发射（545 nm 或 660–670 nm）作为信号读出
- 表面配体层：16-巯基十六烷酸（MHDA）初始封端，后置换为金属硫蛋白肽（MT peptides）以维持水溶性并连接蛋白
- 识别元件：工程化磷酸结合蛋白 PBP·Pb2+（G140H、F11H、A9C、D56C、T114G、S38G），结合 Pb2+ 后发生双域闭合构象变化
- 锚定域：PBP·Pb2+ C端融合金属硫蛋白（MT）域，通过 MT 肽/配体层吸附到纳米颗粒表面
- 信号标记/电子转移元件：5-马来酰亚胺-1,10-菲啰啉钌配合物（complex 1，[Ru(5-maleimido-1,10-phenanthroline)(NH3)4](PF6)2），经表面 Cys（K98C/N158C/A182C）连接，参与电子转移猝灭量子点荧光
中文摘要
本文结合金属蛋白设计与半导体纳米颗粒，构建了可在红细胞存在下选择性荧光成像铅离子（Pb2+）的生物传感器。半导体纳米颗粒提供小分子检测所需的光学性质；金属蛋白设计用于从与既往传感系统结构同源的蛋白中产生Pb2+选择性受体。Pb2+结合位点参数取自含立体活性孤对电子的低分子Pb2+配合物晶体结构。将设计蛋白表达并固定于ZnS包覆CdSe纳米颗粒后，观察到两个与Pb(NO3)2相关的结合事件（发射强度降低约2倍；KA1=1×10^9 M^-1，KA2=3.5×10^6 M^-1）。荧光响应检出限为100 pM Pb(NO3)2，对10 mM Ca2+、100 µM Zn2+和100 µM Cd2+无响应。选择性可能来自有利于Pb2+孤对电子形成的配位几何，并在静电上排斥四面体配位。用ZnS包覆InGaP纳米颗粒替代CdSe后，获得类似传感器（检出限100 pM；KA1=1×10^9 M^-1，KA2=1×10^7 M^-1），且激发/发射波长长于血红蛋白主要吸收（>620 nm）。InGaP纳米颗粒传感器在红细胞存在下Pb(NO3)2检出限为5 nM。该模块化系统可实现红细胞周围可交换Pb2+的检测。
英文摘要
Metalloprotein design and semiconductor nanoparticles have been combined to generate a reagent for selective fluorescence imaging of Pb(2+) ions in the presence red blood cells. A biosensor system based on semiconductor nanoparticles provides the photonic properties for small molecule measurement in and around red blood cells. Metalloprotein design was used to generate a Pb(2+) ion selective receptor from a protein that is structurally homologous to a protein used previously in this biosensing system. Parameters for the Pb(2+) ion binding site were derived from crystallographic structures of low molecular weight Pb(2+) ion complexes that contain a stereoactive lone pair. When the designed protein was produced and attached to ZnS-coated CdSe nanoparticles, two Pb(NO(3))(2)-associated binding events were observed (2-fold emission decrease; K(A1) = 1 x 10(9) M(-1); K(A2) = 3.5 x 10(6) M(-1)). The fluorescence response had a 100 pM Pb(NO(3))(2) detection limit, while no response was observed with Ca(2+) ions (10 mM), Zn(2+) ions (100 muM), or Cd(2+) ions (100 muM). Metal ion selectivity presumably comes from the coordination geometry selected to favor lone pair formation on Pb(2+) ions and electrostatically disfavor tetrahedral coordination. Replacement of ZnS-coated CdSe with ZnS-coated InGaP nanoparticles provided similar biosensors (100 pM limit of detection; K(A1) = 1 x 10(9) M(-1); K(A2) = 1 x 10(7) M(-1)) but with excitation/emission wavelengths longer than the major absorbance of red blood cell hemoglobin (>620 nm). The InGaP nanoparticle-based biosensors provided a 5 nM Pb(NO(3))(2) detection limit in the presence of red blood cells. The modularity of the biosensor system provides exchangeable Pb(2+) ion detection around red blood cells.