? ? ? ?近日,南方科技大學生物醫學工程系副教授張博課題組在國際著名期刊《德國應用化學》(Angewandte Chemie International Edition)發表題為 “Organic Fluorophores with Large Stokes Shift for the Visualization of Rapid Protein and Nucleic Acid Assays” 的研究論文,共同第一作者為2021級碩士生楊景凱和2022級碩士生徐子屹。該論文報道了一種模塊化分子工程染料設計策略,合成了一系列具有大斯托克斯位移、波長可調、兼顧亮度的熒光染料(PTs),實現了肉眼可視的高靈敏度蛋白質與核酸快速分析。此研究成果為染料化學領域提供了新的分子設計策略,也對核酸/蛋白檢測體系的快速可視化具有重要意義。 圖1.模塊化分子工程策略設計大斯托克斯位移熒光染料及其快速可視化核酸/蛋白質檢測應用 ? ? ? ? ?有機小分子熒光團因其靈活的化學結構和可調節的光學性能,在生物傳感、疾病診斷、半導體材料和染料敏化太陽能電池等領域受到廣泛關注。迄今為止,人們已經開發出了大量具有優異性能的小分子熒光染料。因為它們通常衍生于一些傳統的有機熒光骨架,這些熒光骨架往往表現出較小的斯托克斯位移(最大熒光發射波長與吸收波長間距),如羅丹明、熒光素、二吡咯烷硼、花菁素,或表現出較大的斯托克斯位移但亮度較低,如萘二甲酰亞胺、香豆素。導致染料的信號檢測大多需要濾光片和光電設備,限制了它們在簡單場景中的應用。 ? ? ? ?自19世紀末人類合成第一個非天然的小分子熒光染料熒光素后,染料合成就逐漸從試錯的過程演變成有規律的分子工程設計。研究團隊通過模塊化的分子設計,以吩噻嗪和二氧噻吩衍生物作為骨架,合成了一系列具有大斯托克斯位移、波長可調、兼顧亮度的熒光染料(PTs)。PTs染料實現了高達262nm的斯托克斯位移,其摩爾消光系數范圍為30,000~100,000 M-1cm-1,量子產率可達54.8%。同時探索了PTs的電子能級與光學性質的關系,根據密度泛函理論(DFT),分子砌塊的堆積和吸電子基團的引入可以調控HOMO-LUMO間隙。另外,含時密度泛函理論(TDDFT)計算的PTs的電子激發態也與實驗數據吻合。 圖2.?利用密度泛函理論計算PTs的HOMO-LUMO能級和電子云分布;(a)實驗中PTs的LUMO-HOMO能隙與激發波長相關性;(b)PT-1、PT-5、PT-7的LUMO-HOMO和電子云分布。(c)PT-8、PT-10、PT-11、PT-12的LUMOHOMO能量和電子云分布 ? ? ? ? ?PTs染料被制成熒光納米顆粒(PT-NPs)用于側流免疫層析技術(LFA),單個納米顆粒中包封的染料小分子數可達105~106個。得益于大的斯托克斯位移,該檢測體系無需復雜的設置、發射濾光片和訓練有素的操作人員,實現了肉眼可視熒光的SARS-CoV-2的高靈敏抗原檢測。與膠體金法相比,靈敏度提高了100倍,檢測限低至20 fM,能檢測出更多經 RT-PCR 確診的 SARS-CoV-2 感染臨床樣本。此外,基于PT-NPs的LFA靈敏度也超過了已報道的使用各種發光材料檢測SARS-CoV-2的LFA體系。 圖3. 基于PT-NPs的側流免疫層析技術用于SARS-CoV-2抗原檢測;(a)檢測體系示意圖;(b)本工作與膠體金法靈敏度對比;(c)膠體金法檢測曲線;(d)本工作檢測體系檢測曲線;本工作LFA體系特異性;(f-h)膠體金法與本工作LFA臨床檢測分析 ? ? ? ? ?自2022年5月,猴痘疫情(Mpox)席卷100多個國家和地區,被列為值得關注的“國際公共衛生緊急事件”。研究團隊結合環介導等溫擴增技術(LAMP),對猴痘病毒基因組保守序列進行篩查,設計了與基于PT-NPs的LFA體系適配的引物結構,實現了猴痘病毒(MPXV)單拷貝水平的快速可視化核酸檢測。 圖4. 基于PT-NPs的側流免疫層析技術與LAMP技術結合用于猴痘病毒核酸檢測;(a)猴痘病毒核酸檢測靶點序列;(b)針對猴痘病毒檢測的LAMP引物探針設計;(c)基于PT-NPs 和LAMP的猴痘病毒核酸檢測流程示意圖;(d)猴痘病毒檢測可視化快速檢測結果,靈敏度可達單拷貝;(e)檢測體系的特異性 ? ? ? ? ?本項研究探索了大斯托克斯位移有機熒光染料的分子工程化設計,為染料化學提供了一種有機共軛模塊化的設計策略,同時為體外診斷領域提供了新的熒光材料以降低對昂貴光學設備的依賴。 ? ? ? ?南方科技大學生物醫學工程系副教授張博、廣州醫科大學教授邵攀霖、南方科技大學生物醫學工程系研究助理教授劉瑩為論文通訊作者,南方科技大學為論文第一單位,合作單位為廣州醫科大學。以上工作得到了國家自然科學基金、廣東省基礎與應用基礎研究基金、深圳市科技計劃項目、廣東省先進生物材料重點實驗室的支持。 ? ? ? ?據悉,《德國應用化學》Angewandte Chemie International Edition?是化學領域的權威期刊(IF:16.6),創刊于1887年,是當今世界上主要的化學期刊之一。該期刊出版范圍涵蓋了化學研究的各個領域,出版各類型的研究論述,包括綜述、小綜述、評述、觀點、通訊、研究文章,覆蓋了整個化學研究領域。 ? ? ? ?論文鏈接:https://doi.org/10.1002/anie.202318800