铽离子天线效应用于严紧激素的高灵敏、高选择性测定

注：文末有研究团队简介 及本文作者科研思路分析

严紧反应是细菌适应应激环境（例如营养缺乏、高温）的一种代谢方式，涉及广泛的生物转录调控程序。严紧激素（ppGpp）则是严紧反应过程中产生的效应分子，在基因表达、rRNA及抗生素产生和毒力调节等方面起着重要的作用。由于ppGpp与鸟嘌呤核苷酸（如GTP）具有高度相似的结构，仅在磷酸根的数量上存在差异。因此，如何发展一种简单的分析方法，高灵敏度和高选择性地检测ppGpp是一个富有挑战性的难题。该方法的建立对于监控细菌和植物在应激和饥饿条件下的严紧反应也具有非常重要的意义。

西南大学的黄承志教授（点击查看介绍）和李春梅副教授（点击查看介绍）团队将稀土铽离子（Tb³⁺）通过配位作用结合到碳点（CDs）的表面，形成铽离子修饰的碳点（CDs-Tb），并将其用于特异性地识别痕量严紧激素。作者首先通过一步水热法合成具有高量子产率的蓝色荧光碳点，然后将硝酸铽溶液和碳点混合，使铽离子与碳点表面的羰基和氨基发生配位，从而形成CDs-Tb探针。

该CDs-Tb探针能够特异性地识别ppGpp，其检测机制源于铽离子的天线效应和碳点特异性区分能力的协同作用。相比于其他的核苷酸，ppGpp拥有四个磷酸根且呈钳形结构分布，因而能够高效地与CDs-Tb表面的铽离子结合。在紫外光的照射下，ppGpp将吸收的能量转移给铽离子，使其发出明亮的荧光。有趣的是，能与游离的铽离子结合产生天线效应的其他核苷酸却几乎不能和CDs-Tb探针产生作用。因而，碳点的引入可以提高该方法对ppGpp检测的选择性。此外，碳点自身的荧光强度不受ppGpp影响，可作为内参比建立基于CDs-Tb的比率荧光法检测ppGpp。据悉，这是目前报道最灵敏的ppGpp检测方法，线性范围为0.5−15 μM，检测限达到50 nM。该方法也成功地用于一些生物样品例如尿液、血液中ppGpp的检测。

这一成果近期发表在Analytical Chemistry 上，文章的第一作者是西南大学的硕士研究生陈斌斌。

该论文作者为：Bin Bin Chen，Meng Li Liu，Lei Zhan，Chun Mei Li，Cheng Zhi Huang

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Terbium(III) Modified Fluorescent Carbon Dots for Highly Selective and Sensitive Ratiometry of Stringent

Anal. Chem., 2018, 90, 4003, DOI: 10.1021/acs.analchem.7b05149

研究团队简介

陈斌斌，论文第一作者，西南大学化学化工学院硕士生；2014年本科毕业于西南大学药学院，2014-2017年在黄承志教授的指导下完成硕士阶段的学习，目前就读于华东理工大学化学与分子工程学院；硕士期间以第一作者在Green Chem.、Anal. Chem.、Chem. Commun. 等国际期刊发表论文6篇。

李春梅，论文通讯作者，博士，西南大学药学院副教授；2013年获西南大学分析化学博士学位，2011-2013年经国家公派到美国University of Florida（佛罗里达大学）联合培养，2014-2016年为西南大学师资博士后；研究方向为纳米生物分析及细胞成像，主要开展多功能复合纳米材料在生化传感、癌细胞成像分析、药物输送以及治疗方面的研究工作；主持国家自然科学基金（青年科学基金项目）、重庆市基础科学与前沿技术研究专项项目、中国博士后科学基金面上资助等项目8项，以第一作者身份在Adv. Funct. Mater.、Biomaterials、Biosens. Bioelectron 等刊物发表学术论文8篇，参编专著1部。

http://www.x-mol.com/university/faculty/49694

黄承志，论文通讯作者，西南大学药学院教授、博士生导师，国家杰出青年基金获得者、新世纪百千万人才工程国家级人选、重庆“巴渝学者”特聘教授；相继承担包括国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金重点、面上以及973课题等国家、省部级项目40余项；获得国家授权专利11项，已在ACS Nano、Chem. Sci.、Green Chem.、Biomaterials、Anal. Chem.等刊物上发表SCI收录学术论文450余篇，他引10100余次，H因子50，单篇最高引用近500次，引用超100次的论文有15篇；编著《弹性光散射光谱分析》（科学出版社）专著一部、主编《基础分析化学》和《基础仪器分析》（科学出版社）教材各一部；研究方向包括共振光散射光谱分析、共振能量转移光谱分析、等离子体共振光谱分析。

http://www.x-mol.com/university/faculty/13972

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：如上所述，我们的研究兴趣是研究开发新型的基于碳点的荧光纳米探针。已知的ppGpp结构与一些核苷酸，例如GTP等高度相似，区别仅仅在于磷酸根的数量不同。因此，发展一种高选择性检测ppGpp的方法是一个十分具有挑战的课题。我们的目标很简单，就是发展一种能够特异性识别ppGpp，且具有高灵敏度的检测手段。幸运的是，我们采用CDs-Tb成功解决了这个问题。基于铽离子的天线效应以及CDs的特异性识别能力，我们成功发展了CDs-Tb纳米探针用于比率荧光法高选择性和高灵敏地检测ppGpp。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：该研究中最大的挑战是如何筛选出合适的碳点，既能够和铽离子形成CDs-Tb，又对ppGpp具有特异性的识别能力。在这个过程中，我们团队在碳点合成方面的经验积累起到了至关重要的作用。

此外，CDs-Tb的合成过程耗时长。由于在CDs-Tb的合成中，CDs和铽离子的浓度过大会发生聚沉，因而CDs-Tb的合成需要在低浓度下进行，并且透析时间通常需要四五天。因此，获得较高浓度的CDs-Tb需要较长的时间。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：该工作中CDs-Tb探针在ppGpp的分析检测中性能优异，具有很高的灵敏度、特异性、低毒性，有望用于细菌中ppGpp的含量测定。因此可用于实时监控细菌和植物在应激及饥饿条件下的严紧反应。我们相信这项研究成果为细菌等严紧型反应的监控提供了一种简单灵活的方法，推动细菌生命领域的发展。