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劉志洪教授團隊在活體光電分析領域取得重要突破

作者:通訊員化軒  編輯:鮮文濤  來源:化學化工學院   發佈時間:2021/03/05

 近日,化學化工學院劉志洪教授團隊的最新研究成果“FRET Modulated Signaling: A Versatile Strategy to Construct Photoelectrochemical Microsensors for in Vivo Analysis(《熒光共振能量轉移調控光電信號:構建用於活體分析的光電化學微傳感器》)”,發表於化學領域頂級期刊Angew. Chem. Int. Ed.(DOI:德國應用化學,IF:12.959)。湖北大學為第一單位,化學化工學院博士後葉曉雪和2020級博士生王星為論文第一作者,廣州大學韓冬雪教授和湖北大學劉志洪教授為通訊作者。

神經化學物質諸如神經遞質、神經調質、代謝物、自由基、離子等在腦神經信號的傳遞及代謝過程中起着至關重要的作用,在活體層次建立這些生理活性分子的實時、動態監測方法,能夠為探索和認識神經生理和病理過程的物質基礎提供直接信息。活體原位電化學分析法由於其靈敏度高、選擇性好、時空分辨率高等優點,已用於腦內多種化學物質的動態監測。然而,活體環境高度複雜,對目標物質高選擇性的檢測一直是活體電分析的一大挑戰;另一方面,電分析法難以實現對非電活性物質的檢測,極大限制了該分析方法的應用。光電化學分析法是電分析化學的一個重要分支,除了具有電分析法的優勢以外,其以光為激發源的特點,減少了施加外部電壓對神經元的刺激,具有更好的生物相容性,但同樣面臨上述電分析方法的難題。

基於以上問題,劉志洪教授團隊提出了一種基於熒光共振能量轉移(FRET)調控光電化學信號的新策略,實現了光電化學對活體內非電活性物質的高選擇檢測。該工作以SO2作為概念驗證分子,基於FRET原理設計合成了對SO2特異性響應的上轉換納米/染料(cSO2)熒光探針,並將其修飾到負載CdTe量子點/多壁碳納米管光電覆合材料的微電極上,組成光電微電極。在980nm近紅外光激發下,由於上轉換納米顆粒與cSO2之間的FRET效應,上轉換材料的發光被猝滅,從而難以激發CdTe量子點產生光生電子空穴對,因此只能檢測到極微弱的光電流信號;當cSO2與目標物SO2特異性反應後,上轉換納米/染料(cSO2)之間的FRET過程被抑制,上轉換納米發光恢復,從而可激發電極表面的CdTe量子點產生增強的光電流信號。光電流信號的大小受FRET過程調控,並且與目標物濃度相關,從而實現SO2定量檢測。進一步地,他們將這種方法應用於大鼠缺血再灌注和熱驚厥模型中腦內SO2水平的監測,驗證了該方法在活體分析中的可行性。

圖1. FRET調控光電信號的原理及活體分析應用示意圖

該工作將FRET的高選擇性、上轉換納米材料的近紅外光激發(980nm)以及光電分析的高靈敏度、高時空分辨率等優點巧妙地結合起來,提出了一種全新的適用於活體分析的光電化學分析方法,解決了電分析及光電分析在複雜體系中選擇性不足且難以檢測非電活性分子的關鍵問題。這項工作為活體、細胞等複雜生物體系的準確分析提供了新的思路。通過對該體系中染料分子及FRET體系的適當設計,該策略可擴展用於多種目標物(電活性或非電活性物質)分析。

劉志洪教授團隊於2019年6月完成實驗室基礎設施建設,2019年8月完成一期儀器平台安裝調試。團隊圍繞熒光、光熱、光聲和光/電分析技術的創新及生物應用方面做了一系列有特色的工作,至今以湖北大學為通訊單位發表論文20篇,其中包括J. Am. Chem. Soc. (1篇, IF: 14.612),Angew. Chem. Int. Ed. (1篇,IF:12.959),Adv. Funct. Mater. (2篇,IF: 16.836),Small (2篇,IF:11.459),Trands Anal. Chem. (1篇, IF: 9.801),Anal. Chem. (4篇,IF:6.785 ),ACS Appl. Mater. Inter. (1篇, IF: 8.758),Biosens. Bioelectron. (1篇, IF:10.257),ACS Sens. (1篇,IF:7.333 ),Chem. Commun. (1篇, IF: 5.996)。

(審稿:文為)

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