基于水溶性共轭聚合物的蛋白质传感器.docx
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基于水溶性共轭聚合物的蛋白质传感器
南京邮电大学
毕业设计(论文)外文资料翻译
学院
材料科学与工程学院
专 业
材料物理
学生姓名
王文斌
班级学号
B09070508
外文出处
附件:
1.外文资料翻译译文;2.外文原文
指导教师评语:
指导教师签名:
年 月 日
基于水溶性共轭聚合物的蛋白质生物传感
蛋白质检测的蓬勃发展,需要快速、高灵敏度和高选择性的生物传感材料。
水溶性共轭聚合物因其在不同的分析物中具有分子导线效应而广泛应用于蛋白质检测。
本文综述了近期以水溶性共轭聚合物为基础的蛋白质传感器的发展。
根据共轭聚合物对蛋白质的光学响应的不同,这些检测方法被分为三个组。
运用阳离子聚(噻吩)的构象变化产生与靶蛋白相互作用的独特的比色或荧光转导。
利用超猝灭效应的“开关型”水溶性聚(亚苯基亚乙烯基)和聚(亚苯基亚乙炔基)蛋白传感器.聚(芴-亚苯基)衍生工具和受体染料之间的能量传递也利用了荧光发生蛋白质试样的放大信号输出。
通过调控共轭聚合物分子结构结构有利于多功能荧光探针的设计,满足蛋白质传感器的复杂要求。
简介
由于许多疾病在蛋白质表达上的特定变化,特定蛋白质的识别和定量成为医疗和临床研究中的一项重要议题。
临床最常用的技术是酶联免疫吸附试验(ELISA),它需要特定的存储的活性酶和繁琐的蛋白质修饰。
现已开发了不同的检测策略来简化检测过程,该过程包括荧光,电化学,拉曼光谱法,化学发光法,流式细胞术,和微流体法。
然而,大多数这些方法需要复杂的仪器和熟练的操作,这大大激发了简单而可靠的蛋白质检测系统的发展。
由于其高度离域主链结构和独特的电子和光学性质,共轭聚合物(CPs)已被广泛应用于电子进和生物传感器。
共轭聚合物可以视为一组短的,共轭的(低聚物的)单体的集合,它集合了聚合物主链的优点。
这种化学结构有利于有效电子耦合及快速内和分子间的能量转移。
由于集体响应的放大,基于共聚化合物的传感器对轻微的扰动较为敏感,这与同种小分子传感器相比是一大优势。
这种集体响应影响诸如吸光度,福斯特共振能量转移(FRET),导电性,和荧光效率等光电特性,可用于报告或“转换”目标分析物的存在。
水溶性共聚化合物的对其生物应用是至关重要的,通常是通过在共轭聚合物主链上附加亲水性侧链或离子基团。
基于在不同的主链结构,几种类型的水溶性共聚化合物已被报道用于蛋白质检测,其中包括聚(噻吩)(PTs),聚(亚苯基亚乙烯基)(PPVs),聚(亚苯基亚乙炔基)(PPEs)和聚(芴-共轭-亚苯基)(PFPs)。
图表1显示了用于蛋白质检测的几类典型的水溶性共轭聚合物的化学结构。
带电的,独特官能团连接到聚合物侧链,疏水性主链允许聚合物通过多方面交联与不同蛋白质的链接,产生对靶蛋白的特定的光学响应。
这篇文章主要介绍基于水溶性共轭聚合物的蛋白传感器和蛋白质检测的三个主要机制。
我们首先介绍基于聚(噻吩)构象变化的比色和荧光蛋白实验,然后是以聚(亚苯基亚乙烯基)和聚(亚苯基亚乙炔基)为探针的超泯灭实验。
最后,我们总结了使用以聚(芴-共轭-亚苯基)为信号放大器的基于共振能量转移的实验。
蛋白质检测依赖共轭聚合物聚合诱导荧光的变化,其中也包括超泯灭和福斯特共振能量转移类别。
进来不同研究小组对于水溶性共轭聚合物应用与酶活性和蛋白质结构的研究,这些实验并未关注以上观点,他们只是简要提到根据自己的运行机制。
图表1水溶性CPs用于蛋白质检测的示例
基于构象变化的蛋白质检测
最初报道阳离子聚(噻吩)与聚核苷酸交联导至构象变化以后,引起溶液颜色和荧光在单链DNA(ssDNA)和双链DNA(dsDNA)中发生改变。
因为这种方法并不需要聚合物或分析物的复杂的化学官能团,阳离子聚(噻吩)已被广泛应用于检测各种溶液中的分析物。
勒克莱尔的小组利用适体(50-GGTTGGTGTGGTTGG-30)和凝血酶之间的特异性相互作用,指出阳离子聚(噻吩)(P1)可用于非标记的特定的蛋白质检测。
蛋白质分子链的无规卷曲构象使P1的水溶液呈黄色。
在非特异性的凝血酶适体、非特异性蛋白或牛血清白蛋白(BSA)中,P1通过平面构型形成复杂的适体,(图1路径B),并产生一个红移的最大吸收(红紫色)和微弱的荧光。
当人类的α-凝血酶与特殊适体联结后会形成一种紧凑的单分子四重结构。
在这种情况下,P1包裹在四链体周围形成复合物局部阻碍聚合物链的聚集和平坦化,从而产生橙色和高荧光(图1路径A)。
该法实现了通过比色和荧光两种方法检测人类α-凝血酶。
使用标准荧光时,人类α-凝血酶的检测极限为(LOD)2×mol(M/200μL)。
图1用单链DNA凝血酶适体和阳离子性的PT检测人类α-凝血酶的特异性的示意性说明。
随后,该组在阳离子聚(噻吩)—DNA适体的基础上结合完善的检测灵敏度开发了一种蛋白质阵列(图2)。
在室温下,不到一小时内,集成的生物芯片能直接检测人类凝血酶。
首先,阳离子P1和Cy3标记的单链DNA适体(50-NH2-C6-GGTTGGTGTGGTTGG-Cy3-30)之间形成化学计量的双链,固定在固体载体上。
在人类凝血酶的存在下,带负电荷的DNA适配体结合凝血酶形成折叠结构,较之没有凝血酶这增加了Cy3激发P1的信号输出。
该信号扩增是福斯特共振能量转移和荧光链反应(FCR)的共同结果。
在相同的实验条件下,使用非特异性蛋白(如牛血清白蛋白和免疫球蛋白E)时Cy3的荧光信号十分微弱,表现出良好的检测特异性。
人类凝血蛋白的检测极限是1.5×mol。
图2通过载玻片上适体-PT聚集特异性识别蛋白质的示意说明。
值得注意的是阳离子聚(噻吩),能够通过不同的荧光输出直接反馈特定蛋白质的构象变化。
Ingana的小组指出一种人工合成的肽的构象变化可以改变一类氨基酸取代的聚(噻吩)(P2)的荧光。
该组进一步应用阳离子聚(噻吩)(P3)检测钙离子诱导钙调蛋白构象变化。
P3络合钙调蛋白呈平面几何,导致吸收红移(从421到455纳米)和发射光谱(从565到608纳米)荧光强度下降。
附加到混合物引起最大吸收波长蓝移至440nm,最大发射波长蓝移至601纳米,这致使诱导钙调蛋白改变而进一步影响P3-蛋白质复合物的构象变化。
一种类似的策略,进一步扩展到检测鸡溶菌酶中的淀粉样纤维和聚二甲基硅氧(PDMS)生物芯片内蛋白质的构象变化。
除了检测到目标蛋白的构象变化,阿古兹组和勒克莱尔组发现了一种全新的方法,它能够区分四种在小鼠体内繁殖的不同朊病毒株,大大提升了人们对蛋白质错误折叠障碍的基本原理的了解。
基于荧光猝灭/荧光去猝灭的蛋白质检测
1995年,swage研究小组展示了共轭聚合物的荧光淬灭放大。
较之小分子聚合物,猝灭中共轭聚合物(CPs)灵敏度的极大提升,被认为是来源于共轭聚合物的离域电子结构,它促使了有效电子沿聚合物主链迁移。
如图3所示,一个绑定的猝灭分子能够沿聚合物主链捕获几乎所有的激子。
CPs的荧光猝灭可以用Stern-Volmer公式来描述:
其中F0是CPs初始荧光强度,F是CPs在猝灭剂存在下的荧光强度,[Q]是猝灭剂浓度,Ksv是Stern-Volmer常数。
图3CP与电子转移猝灭剂的相互作用的扩增猝灭的机制。
扩增的猝灭效应使共轭聚合物蛋白质传感器能够通过监测分析物有无时共轭聚合物的荧光变化而设计。
“淬灭系绳配体”法是对共轭聚合物荧光超猝灭奏效的最早的蛋白质实验之一。
该方法涉及到使用生物素联阳离子淬灭剂(甲基紫精)。
极少量的生物素联结(B-MV)就能有效猝灭P4水溶液的荧光。
添加抗生物素蛋白能显著恢复的聚合物的荧光,因为生物素和抗生物素蛋白之间的特殊相互作用,可以拉离P4附近的B-MV。
同样,曹的研究小组公开了一组聚芴为基础的检测报告,检测利用了生物素和抗生物素蛋白间的特异识别和阴离子聚(芴-共轭-亚苯基)(P11)与抗生物素蛋白静电相互作用。
P11的猝灭只能在抗生物素蛋白的存在下通过生物素标记的路西弗染料观测到,它导致了与P11静电作用的抗生物素蛋白—生物素—猝灭剂复合物的形成。
对照实验中在非特异性的蛋白质的存在下使用生物素标记的路西弗染料,以证明它们测定的特异性。
除了所报告的特定的相互作用,黑格和Bazan小组的研究表明,这些检测方法中存在的蛋白质和共轭聚合物之间的非特异性相互作用,可能会显着影响蛋白的检测,导致结果的误差。
为了尽量减少蛋白质和共轭聚合物之间的静电相互作用,提出了电中性的复合物(CNC)的概念,它是由阴离子P5以及阳离子聚电解质以1:
1电荷比混合而成。
基于如图4的检测方案演示了通过一种带负电荷的二硝基苯酚(DNP)衍生物猝灭CNC荧光以及加入反DNP抗体特定的去猝灭。
此外,作者还表明,当使用非特异性抗体大鼠免疫球蛋白G(IgG)或非特异性的淬灭剂(2,4,6-三硝基苯酚,TNP)加入反DNP抗体后,CNC荧光猝灭难以恢复。
该实验的检测极限为300nM。
图4猝灭剂加入特异性抗体(A)和非特异性抗体(B,C)后,CNC荧光猝灭恢复的示例
图5荧光猝灭的PPE(蓝色)由蛋白分析物中的黄金纳米粒子取代恢复荧光,及(b)通过差分释放PPEs产生独特的荧光模式。
虽然基于共轭聚合物的蛋白质检测最初使用生物特异受体—共轭聚合物复合物传感,与不同蛋白质非特异性相互作用后共轭聚合物的荧光的变化依旧引发了研究热潮。
黑格等发现细胞色素c(cytc),即一种含铁的蛋白质,能有效猝灭阴离子聚(亚苯基亚乙烯基)PPV(P5)的荧光,这是由于复合物形成后电子从光激发聚合物迁移到细胞色素c。
随后,我们研究了一类阴离子聚芴与不同蛋白质的荧光猝灭,研究表明,细胞色素C诱导荧光猝灭是由聚合物链电荷转移及其聚集共同引发的。
2006年,黄的研究小组报道了一项阴离子铁硫基蛋白,即红素氧还蛋白的检测。
红素氧还蛋白能有效地淬灭阳离子P6的荧光,因为电子从P6转移到了铁中心。
与此相反,在相同的实验条件下的对照实验表明,胰岛素和细胞色素c的对P6的淬灭显著小于红素氧还蛋白,说明即使在没有特定分析物的受体对的情况下对红素氧还蛋白聚合物的良好的选择性。
Bunz和Rotello团队利用共轭聚合物和蛋白质之间的非特异性相互作用,就蛋白质检测的传感器阵列提出了重大观点。
传感器阵列包含6个非共价键的黄金纳米粒子与共轭聚合物(NP—CP)的聚合物。
检测方案示于图5,最初,P7的荧光被金纳米粒子猝灭。
NPs被设计为具有不同的疏水性官能团,来协调其与聚合物或蛋白质之间的相互作用。
加入蛋白质后,金NPs和CPs之间的相互作用被打乱,导致聚合物被NP表面的蛋白质所取代引起明显的荧光响应模式。
这些模式对每个单独的蛋白质是高度可重复的,这对毫微摩尔级的多蛋白检测提供了一个强大的平台。
以上研究小组进一步公布了一组传感器阵列,其中包含6个官能化聚(亚苯基亚乙炔基)衍生物,每个都有不同的充电特性和分子尺寸以给蛋白质分析物多样性的相互作用提供不同的绑定。
不同的荧光响应模式可以识别17种不同的蛋白质,具有97%的高精度。
图6基于CP的导通和关断检测蛋白酶活性研究的示意图。
除了猝灭剂诱导的聚合物荧光通过电子转移猝灭,特定的诱导识别高分子聚合也能导致聚合物荧光猝灭,这对于蛋白质检测很有用。
外源凝集素,是一种在细胞信号传导,表面识别和病原体对接起着至关重要作用的蛋白质,它一直在被人们用含糖的共轭聚合物探针积极研究。
最常研究的外源凝集素,伴刀豆球蛋白(ConA)和大肠埃希氏菌(E.coli),它们可以绑定到α-甘露糖取代的水溶性的共轭聚合物并诱导聚合物聚合。
应该指出的是,中性水溶性的共轭聚合物是凝集素检测的首选,可以避免带电荷的聚合物和蛋白质之间的静电相互作用。
在2004年,斯瓦格等报道了使用的水溶性甘露官能化的聚(亚苯基亚乙炔基)(PPE)检测大肠杆菌菌株。
在加入的聚合物到的大肠杆菌悬浮液中的甘露糖结合形成的细菌集群和该聚合物表现出红移的发射光谱,由于π-π堆叠的聚合物之间的相互作用链。
在大肠杆菌悬浮液中加入的聚合物后,甘露糖结合的细菌形成了集群,由于π-π堆叠的聚合物链之间的相互作用聚合物发射出红移的发射光谱。
同时,Bunz的研究小组公开了一种用于伴刀豆球蛋白检测的含甘露糖的PPE(P8)与良好定义的甘露糖取代单体的合成物。
他们进一步研究了糖官能化的PPEs络合的荧光猝灭机制,表明增加链长和引入更复杂的糖单位可以提高检测灵敏度。
他们也公布了甘露糖取代聚合物与PPV,聚(对-亚苯基)(PPP),PT,聚(苯乙炔)(PPA),PFP的主链用于伴刀豆球蛋白传感。
研究发现,在糖取代物和聚合物链之间引入柔韧的聚(乙二醇),可以大大提高共轭聚合物的水溶性,从而减少伴刀豆球蛋白(ConA)检测的非特异性相互作用。
除了蛋白质检测,聚合物淬火/去猝灭测定也被广泛用于酶活性的研究。
一个典型的方法是使用淬灭基团标记的生物分子的复合物,可以被一种活性酶水解释放淬灭基团而诱导聚合物溶液荧光变化。
通过使用阴离子PPE溶液或阴离子PPE-涂层的荧光微球为探针,Schanze和Whitten的小组公开了有关基于CP-荧光检测酶活性研究的几个重大成果。
图6是一个典型的示例。
荧光的释放途径包括阴离子性PPE(P9)和对-硝基-苯胺标记的阳离子肽(酶底物)作为淬灭基团。
阴离子P9和阳离子肽间的静电作用导致对硝基苯胺猝灭聚合物荧光。
在一种蛋白水解酶,肽酶的存在下,猝灭剂标记的肽中被水解与猝灭消失。
游离的对硝基苯胺是中性的,它不与聚合物相互作用,使溶液的荧光恢复。
另一方面,同样的系统可以被设计为使用P7组合Rhodamine-100(Rho-Arg-2)的衍生物双精氨酸,作为关断检测。
Rho-Arg-2本身不会猝火聚合物荧光,然而在该混合物中存在的一种蛋白酶产生单酰胺衍生物(Rho-Arg),它能够淬灭P7的荧光。
基于类似的方法,为了研究不同的酶的反应设计了更多的检测,它们可以在最近的评论中找到。
基于福斯特共振能量转移(FRET)的蛋白质检测
基于CP信号生色团的远程FRET的可靠方法首次应用于DNA检测,其中聚合物作为能量供体而信号生色团作为能量受体。
较高的消光系数和离域的主干使得CPs成为很好的能量给体从而放大了受体的荧光信号,使得基于FRET的荧光传感器有很高的灵敏度、较好的选择性以及极小的背景干扰。
由于供体和受体之间的距离的变化可以通过荧光强度的变化监测,与距离高度相关的荧光共振能量转移,为检测提供了机会。
基于FRET的生物传感器引发了越来越大的兴趣,因为它与比色法及淬火/去猝灭传感器相比,包含了检测的多功能性和多通道信号采集的几大优点。
根据福斯特的理论,短的给体-受体距离,良好的光谱重叠和优化的偶极取向应该有利于有效能量转移。
此外,我们最近的研究表明,受体的HOMO和LUMO能级应该包含在供体施予FRET的光致电子转移(PET)。
依据QTL方法,王等人通过把生物素连接到的荧光染料修改猝灭剂,公布了一项抗生蛋白链菌素测定的荧光比率计蛋白质实验。
该实验包含三个元素:
一种阳离子PFP(P10),带负电荷的生物素化的荧光探针(F1-B),和目标蛋白(图7)。
P10的发射光谱与F1的吸收光谱呈现出良好的重叠。
在抗生蛋白链菌素的存在下,F1-B的部分生物素结合抗生蛋白链菌素,F1被包埋在相邻的空置结合位点。
该绑定防碍F1和带正电的聚合物之间的静电相互作用,导致P10激发减弱F1发射。
在一种非特异性蛋白质,如牛血清白蛋白(BSA)的存在下,F1-B不与相关蛋白质结合。
(F1)和聚合物之间的静电相互作用导致有效的能量转移,扩增F1的荧光强度。
因此链霉亲和素检测,通过监测溶液中F1在P10激发时的发光强度而实现。
图7FRET基础上链霉亲和素检测机制示意图。
除了基于特定的锁-钥相互作用蛋白检测,基于阵列的FRET检测也被开发基用于蛋白质检测,它是基于CP/染料标记的单链DNA(ssDNA-C*)配合物和蛋白质之间的非特异性相互作用。
其设计理念是,带不同电荷和疏水性的蛋白质可以有效地扰动含CP/ssDNA-C*复合体的光学单元之间的电子耦合,并依次改变CP(供体)和C*(受体)间的FRET诱导荧光。
阳离子齐聚芴和五个6-carbox-ylfluorescein(FAM)标记的单链DNA之间一系列具有不同次序和长度的复合物可以形成各种复合物,可以用来作FRET探针以产生对蛋白质的一系列荧光响应。
相应的荧光有独特的模式以精确分辨14种蛋白质。
虽然这个方法不能用于蛋白质定量而且不太适合混合样品,但它检测水介质中纯化的蛋白质具有良好的可靠性和通用性。
为了解决大多数均质荧光蛋白检测不能在生物介质中操作的问题,最近我们通过利用特定的适体/蛋白质识别开发了基于FRET的均质蛋白检测。
检测机制是基于阴离子CP和FAM标记的适配体间的的表面电荷转换引起的能量传递。
一开始使用包含一种阴离子CP(P11)和FAM适体的溶液。
在溶菌酶的存在下,FAM适体结合溶菌酶,表面电荷由负转正,诱导适配体—溶菌酶配合物和阴离子性聚合物静电链接。
因此,从P11到FAM发生FRET。
另一方面,非特异性蛋白不能够识别的FAM-适体并且适体的表面电荷保持负,由于聚合物和FAM-适体之间的距离太远所以没有发生FRET。
值得注意的是,从尿样得到的FAM信号(图8)和纯水中得到几乎相同,这表明选择性和灵敏度维持在生物介质。
图8在没有溶菌酶适配体(黑色),尿中的溶菌酶(红色),和水中溶菌酶下(绿色)P11与溶菌酶培育的标准化荧光光谱。
适体=5.0×M,溶菌酶=26.5μg/ml
随后,我们开发了基于NP蛋白质实验来检测山羊IgG和凝血酶,通过利用NPs的分离和CPs的捕光属性来放大检测信号。
在山羊IgG检测中,初期抗体被固定化在NP表面,NPs以夹心法格式捕获抗原及Cy3标记的二次抗体产生NPs荧光(图9)。
阳离子P12与NP表面的蛋白质结合。
P12激发时发生荧光共振能量转移,导致高灵敏度和选择性,检测极限为1ng/ml。
在诸如牛血清白蛋白和凝血酶等非特异性蛋白质的存在下,Cy3信号是非常弱的。
通过使用适配体更换NP表面上固定的抗体,该法进一步发展为血清中凝血酶和溶菌酶的检测。
这些结果表明,CP扩增NP为基础的检测是通用的,可以容易地适用于检测在重要生物介质中的各种蛋白质。
图9基于NP的阳离子扩增PFP免疫荧光。
最近,我们证明CPs可以用于的蛋白质的肉眼检测和定量。
基于分子间的能量转移比分子内的能量转移效率高的理论,我们开发了多色CPs,其中包含芴段和2,1,3-苯并噻二唑(BT)用于肉眼蛋白检测。
运行机制是基于从芴段到BT的诱导聚集FRET。
例举使用P13作为探针,在水溶液中有一个蓝色的发光的不同的蛋白质的鉴别。
在聚合物溶液中添加牛血清白蛋白,溶菌酶,细胞色素c分别将聚合物的发光颜色改为黄色,绿色,和深色。
不同的蛋白质的存在下荧光颜色的区别是由于蛋白质疏水性,净电荷,结构的变化。
从芴片段到集合体上BT体的能量转移和P13到细胞色素c的金属中心之间的电子转移都在颜色变化的观测中发挥了重要作用。
随后,我们开发了含有BT体的阳离子CPs作为BSA和DNA检测的“点亮”探针,这是基于BT发射由于其电荷转移电子态对环境极性敏感的理论。
这些聚合物在水介质中都表现出非常微弱的荧光。
因为聚合物与生物大分子的形成后复合物疏水性的增加,聚合物溶液加入BSA或DNA能显著增强聚合物荧光。
此外,该聚合物表现出BSA浓度与荧光增强呈线性函数。
通过引入甘露糖到聚合物侧链,我们进一步设计并合成了肉眼检测和定量伴刀豆球蛋白(ConA)的中性水溶性聚合物。
伴刀豆球蛋白(ConA)检测和定量的实现是通过ConA加入P14后BT发射浓度的线性增强。
黄色发射增强是因为聚合物聚集引起ConA和α-甘露糖之间的特殊相互作用(图10)。
通过不同浓度的P14,得到了浓度范围从1至250nM的刀豆素A的定量标准的校准曲线。
这是第一个在识别中表现出信号增强的基于CP-刀豆蛋白A的实验,这与先前报告的ConA检测中所有基于CP的荧光猝灭实验明显不同。
图10甘露糖轴承的含CP的BT单元聚集诱导的BT发射
通过监测荧光值变化,基于FRET的方法也已广泛地用于酶活性研究。
为了克服大多数报告的荧光检测仅限于一种溶液中的一种特定的酶的局限性,王的研究小组最近报告了一种用PFP(P10)和50-末端用荧光素,TexRed和Cy5标记的Y形DNA的同时多重核酸酶检测。
在酶存在的情况下,P10和Y-DNA链之间的通过静电相互作用形成复合物从而使能量从聚合物中转移到染料。
在HaeII,PvuII或EcoRV的存在下,DNA链的切割位点的特异性识别引起每个单独的染料释放,导致独特聚合物激发后的溶液荧光变化。
这项研究为同时检测多种核酸酶铺就了一条简单的传感器系统的设计方式。
总结
在这次文章已经总结了利用水溶性共轭聚合物的敏感光学响应的各种蛋白质传感器。
这些实验操作无论是特定的锁-钥识别或CP和蛋白质之间的非特异性相互作用,都不需要复杂的仪器。
阵列为基础的蛋白质传感器为实现快速,灵敏,可靠的多蛋白的检测开辟了新的机遇,在临床应用有很大的潜力。
然而,应当指出,基于CP荧光检测只能用纯化的蛋白质样品;CP和生物介质中不同的成分之间的非特异性相互作用仍是一个有待解决的问题。
水溶性CP的化学结构与光学性质的进一步优化,灵敏度和选择性的改善将提高他们在未来的生物传感器的应用。
鸣谢
作者感谢新加坡国立大学(R-279-000-234-123),新加坡教育部(R-279-000-255-112)和淡马锡防御系统研究所(R-279-000-268-422,R-279-000-268-592,R-279-000-268-232)的财政支持。
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