α-グルコシダーゼ活性とアカルボースを高感度に測定するためのレシオメトリック蛍光バイオセンサーの開発

A ratiometric fluorescent biosensor for the sensitive determination of α-glucosidase activity and acarbose based on N-doped carbon dots.

• Mengjun Wang
• Mengke Wang
• Feng Zhang
• Xingguang Su

抄録

本研究では、N-ドープカーボンドット(N-CD)をベースに、α-グルコシダーゼ(α-グル)とその阻害剤のための新規なレシオメトリック蛍光プラットフォームを構築した。このα-グルコシダーゼは、α-アルブチンからのハイドロキノン(HQ)の放出を触媒することができる。次に、生成したHQを酸化し、ポリエチレンイミン(PEI)と共重合して、510nmでの強い蛍光発光を有する黄緑色蛍光共重合体(PHQ-PEI)を形成することができる。PHQ-PEIが形成されると、425nmでのN-CDsの青色蛍光が減少するのに対し、510nmでのPHQ-PEIの蛍光は、N-CDsとPHQ-PEIとの間の蛍光共鳴エネルギー移動（FRET）効果により急激に増加した。しかし、アカルボースの存在下では、α-グルコシダーゼの活性が阻害され、α-アルブチンをハイドロキノンに加水分解することができず、425 nmでのN-CDsの蛍光回復と510 nmでのPHQ-PEIの蛍光減少をもたらした。α-グルコシダーゼおよびアカルボースの検出には、それぞれ0.2〜1.6 mU mL-1および25〜150 μmol L-1の線形範囲が得られ、α-グルコシダーゼおよびアカルボースの検出限界(LOD)は0.082 mU mL-1および14.5 μmol L-1と低かった。このようにして、α-グルコシダーゼ測定に適した感度と特異性の高いレシオメトリック蛍光センサーを確立し、実試料測定においても満足のいく結果を得ることができた。

In this work, a novel ratiometric fluorescent platform for α-glucosidase (α-glu) and its inhibitor was constructed based on N-doped carbon dots (N-CDs). The α-glucosidase present can catalyze the release of hydroquinone (HQ) from α-arbutin. Then, the generated HQ can be oxidized and copolymerized with polyethyleneimine (PEI) to form a yellowish green fluorescence copolymer (PHQ-PEI) with intense fluorescence emission at 510 nm. When the PHQ-PEI was formed, blue fluorescence of N-CDs at 425 nm was decreased, whereas the fluorescence of PHQ-PEI at 510 nm increased sharply as a result of the fluorescence resonance energy transfer (FRET) effect between N-CDs and PHQ-PEI. However, in the presence of acarbose, the activity of α-glucosidase is inhibited, and α-arbutin cannot be hydrolyzed to hydroquinone, leading to the fluorescence recovery of N-CDs at 425 nm and the fluorescence decrease of PHQ-PEI at 510 nm. The linear range from 0.2 to 1.6 mU mL-1 and 25-150 μmol L-1 was obtained for α-glucosidase and acarbose detection, respectively, and the detection limit (LOD) for α-glucosidase and acarbose was as low as 0.082 mU mL-1 and 14.5 μmol L-1. Thus, a ratiometric fluorescent sensor with good sensitivity and high specificity was established for α-glucosidase assay and satisfactory results were acquired in real sample determination.