数字化恒温扩增技术实现对禽流感病毒的快速定量检测

H5亚型禽流感(如H5N1)是一种全世界范围的人畜共患病,严重威胁着家禽产业以及人类的健康。对禽流感病毒进行及时、定量和亚型检测,是疾病快速诊断和疫情防控的重要基础。中国科学院微生物研究所杜文斌(点击查看介绍)课题组与中国科学院动物研究所何宏轩(点击查看介绍)课题组最近合作开发了一种数字化恒温扩增的方法,实现了对禽流感病毒H5亚型的快速定量检测。该研究采用了杜文斌课题组先前报道的界面打印液滴生成方法(Cross-interface Emulsification, XiE)(Anal. Chem., 2016, 88, 3171-3177)。其原理是利用稳定流速注射液体的毛细管在油-气界面处固定频率振动,利用在油-气界面表面张力的周期性切割作用,实现均一液滴的制备。通过该方法,可快速连续生成大量皮升至纳升体积微液滴,平铺于96孔板容器底部形成液滴阵列,适合于实现数字化核酸扩增分析。XiE技术不依赖于微加工技术,成本低、操作自动化程度高,对于常规实验室及非专业人士尤为适用。该研究采用环介导等温扩增技术(Loop-mediated isothermal amplification,LAMP),使核酸扩增可以在恒温条件(60-65 °C)下进行,是对传统PCR技术的重要改进,尤其适用于条件欠发达地区以及现场快速检测。数字等温扩增技术,通过XiE系统将反应体系分隔在大量大小均一的液滴中,每一个微液滴即为一个反应单元,基于泊松分布原理,进行独立的单拷贝核酸分子等温扩增,达到对起始模板数量进行精确统计的目的,在准确性、灵敏度和绝对定量(不依赖于标准曲线)方面有了革命性的改进,尤其适用于病毒载量的定量检测。因而,开发适用于禽流感检测的数字LAMP技术具有重要意义。本研究针对H5亚型的禽流感病毒的快速定量,开展了模型验证和禽流感真实样品的检测。建立了特异性的H5亚型禽流感病毒LAMP检测引物探针,首次验证了数字LAMP用于H5禽流感病毒检测的特异性、灵敏度和线性范围。研究结果表明,数字LAMP与实时荧光定量PCR以及美国伯乐公司的QX200数字PCR系统的检测灵敏度和线性一致,具有良好的特异性和准确性。值得指出的是,相比于数字PCR和荧光定量PCR,数字LAMP表现出更好的抗抑制剂能力(如腐植酸、SDS等),可以保证该方法对没有充分除去污染物的野外或临床样品检测的可靠性。该课题得到国家重点研发计划的支持(2016YFC0100900),相关研究成果在线发表在Analytical Chemistry 上。中科院动物研究所何宏轩研究员的博士后胡奕和杜文斌课题组的徐鹏为该文章的共同第一作者。该论文作者为:Yi Hu, Peng Xu, Jing Luo, Hongxuan He, and Wenbin Du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):Absolute Quantification of H5-Subtype Avian Influenza Viruses Using Droplet Digital Loop-Mediated Isothermal AmplificationAnal. Chem., 2017, 89, 745–750, DOI: 10.1021/acs.analchem.6b03328导师介绍杜文斌http://www.x-mol.com/university/faculty/40476 何宏轩http://www.x-mol.com/university/faculty/40477 X-MOL分析领域学术讨论QQ群(292125992)

超高速光学影像技术解析早期病毒感染细胞的过程

尽管生物医学技术日新月异,病毒感染所引起的许多疾病,仍然造成人类伤亡以及巨大的经济损失。此外,病毒也可用来制备对抗许多疾病的疫苗载体,了解病毒如何感染细胞,对发展基因载体和疫苗来说非常重要。病毒感染是个非常复杂的过程。透过生化以及分子生物学的研究方法,人类已经累积了许多关于病毒感染的知识。结合荧光显微技术,人类也能够窥探单一病毒进入细胞的过程和途径。成功的病毒感染需要病毒和细胞膜内分子动态的交互作用,由于病毒和细胞膜分子的尺寸十分微小,科学家对于病毒颗粒与细胞膜上的受体如何交互作用,乃至促成病毒入侵这个问题,仍然缺少具有合适时间及空间分辨率的研究手段。台湾中央研究院的谢佳龙(点击查看介绍)研究团队,近年来成功发展了适合研究病毒入侵活体细胞的超高速光学显微影像技术,在超高速下观察到单一病毒粒子与细胞膜中受体的高速动态交互作用。该显微技术是利用干涉的方法检测病毒粒子本身的散射光讯号。相比于广泛使用的荧光技术,散射信号的稳定性高,更适合高速、高准确度、长时间的观察。此技术不需要使用任何标记,因此能够避免标记物可能造成的干扰。借助这一手段,研究人员可以观察到病毒最真实的感染行为。以往科学家未能利用散射信号研究病毒感染,主要是因为病毒的体积微小,因此散射信号微弱,加上活细胞实验中细胞样品的背景散射,让检测变得更加困难。为了克服这些困难,该团队开发了两项关键技术,第一是采用干涉的方法检测散射信号,大幅度增加了检测的灵敏度。第二是开发图像处理与分析技术,能够将不断移动的病毒与相对静态的细胞背景分开,得到零背景的超清晰病毒影像。通过以上的方法,该团队成功地实现了在超高速下(每秒十万张影像),直接观察牛痘病毒与活体细胞膜的交互作用。从技术层面上讲,该实验首次在没有标记病毒的情况下,于活体细胞环境中完成了单一病毒运动的检测与跟踪。测量结果同时具有超高的空间准确度,三维准确度均小于3 nm。该团队进一步利用微注射技术,将病毒局部释放到显微观察区域,借助这一手段记录病毒感染细胞膜的连续过程。基于超高时间空间分辨率的观察,他们首次揭示了病毒与细胞接触初期的动态行为:病毒在与细胞膜接触的一秒钟内便定域在约数百纳米的直径范围。出乎意料的是,在该定域范围内,病毒以非常快速的扩散运动探索细胞膜,并且不间断地在许多只有数十纳米大的区域中短暂停留。这些纳米大小的短暂停留,很可能是病毒与细胞膜受体交互作用的结果,以上研究发表于ACS Nano 上,目前该研究仍在积极进行中。台湾中央研究院所开发的超高速同调式亮场光学显微镜(Coherent brightfield microscopy, COBRI microscopy)。繁體中文版本超高速光學影像技術解析早期病毒感染細胞的過程儘管生物醫學技術日新月異,病毒感染所引起的許多疾病,仍然造成人類傷亡以及巨大的經濟損失。此外,病毒也可用來製備對抗許多疾病的疫苗載體,瞭解病毒如何感染細胞,對發展基因載體和疫苗來說非常重要。病毒感染是個非常複雜的過程。透過生化以及分子生物學的研究方法,人類已經累積了許多關於病毒感染的知識。結合螢光顯微技術,人類也能夠窺探單一病毒進入細胞的過程和途徑。成功的病毒感染需要病毒和細胞膜內分子動態的交互作用,由於病毒和細胞膜分子的尺寸十分微小,科學家對於病毒顆粒與細胞膜上的受體如何交互作用,乃至促成病毒入侵這個問題,仍然缺少具有合適時間及空間解析度的研究手段。臺灣中央研究院的謝佳龍研究團隊,近年來成功發展了適合研究病毒入侵活體細胞的超高速光學顯微影像技術,在超高速下觀察到單一病毒粒子與細胞膜中受體的高速動態交互作用。該顯微技術是利用干涉的方法檢測病毒粒子本身的散射光訊號。相比於廣泛使用的螢光技術,散射信號的穩定性高,更適合高速、高準確度、長時間的觀察。此技術不需要使用任何標記,因此能夠避免標記物可能造成的干擾。借助這一手段,研究人員可以觀察到病毒最真實的感染行為。以往科學家未能利用散射信號研究病毒感染,主要是因為病毒的體積微小,因此散射信號微弱,加上活細胞實驗中細胞樣品的背景散射,讓檢測變得更加困難。為了克服這些困難,該團隊開發了兩項關鍵技術,第一是採用干涉的方法檢測散射信號,大幅度增加了檢測的靈敏度。第二是開發影像處理與分析技術,能夠將不斷移動的病毒與相對靜態的細胞背景分開,得到零背景的超清晰病毒影像。通過以上的方法,該團隊成功地實現了在超高速下(每秒十萬張影像),直接觀察牛痘病毒與活體細胞膜的交互作用。從技術層面上講,該實驗首次在沒有標記病毒的情況下,於活體細胞環境中完成了單一病毒運動的檢測與跟蹤。測量結果同時具有超高的空間準確度,三維準確度均小於3 nm。該團隊進一步利用微注射技術,將病毒局部釋放到顯微觀察區域,借助這一手段記錄病毒感染細胞膜的連續過程。基於超高時間空間解析度的觀察,他們首次揭示了病毒與細胞接觸初期的動態行為:病毒在與細胞膜接觸的一秒鐘內便定域在約數百納米的直徑範圍。出乎意料的是,在該定域範圍內,病毒以非常快速的擴散運動探索細胞膜,並且不間斷地在許多只有數十納米大的區域中短暫停留。這些納米大小的短暫停留,很可能是病毒與細胞膜受體交互作用的結果,以上研究發表於ACS Nano 上,目前該研究仍在積極進行中。臺灣中央研究院所開發的超高速同調式亮場光學顯微鏡(Coherent brightfield microscopy, COBRI microscopy)。该论文作者为:Yi-Fan Huang, Guan-Yu Zhuo, Chun-Yu Chou, Cheng-Hao Lin, Wen Chang, Chia-Lung Hsieh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):Coherent Brightfield Microscopy Provides the Spatiotemporal Resolution To Study Early Stage Viral Infection in Live CellsACS Nano, 2017, 11, 2575-2585, DOI: 10.1021/acsnano.6b05601谢佳龙博士简介谢佳龙博士在Demetri Psaltis教授的指导下,于2011年取得加州理工学院电机博士学位,2011年至2012年于德国Max Planck Institute for the Science of Light的Vahid Sandoghdar教授实验室进行博士后研究,于2012年12月起就职于台湾的中央研究院原子与分子科学研究所,成立纳米生物光学实验室,研究方向为新颖的光学显微技术及纳米尺度的生物物理现象。谢佳龙http://www.x-mol.com/university/faculty/40469 纳米生物光学实验室http://www.iams.sinica.edu.tw/personal/clhsieh/pages/research X-MOL分析领域学术讨论QQ群(292125992)

细胞内高分辨DEER距离的测量

在细胞内研究蛋白质的结构、相互作用和动态变化对于了解生命过程具有重要意义,但细胞内高分辨研究蛋白质作用的细微机制通常需要借助于探针方法。近年来双电子自旋共振(double electron-electron resonance, DEER)技术成功应用于材料化学特别是生物大分子研究领域。该技术在大分子上的两个位点标记顺磁中心(通常是等同的顺磁中心),通过顺磁中心的偶极作用可以获得两个顺磁中心的距离信息,这与生物体系中通常用到的荧光能量共振转移(FRET)原理较为类似。DEER成为继FRET测定大分子距离信息的重要技术,顺磁探针的体积通常比荧光探针小,并且DEER测定的距离受其他因素的干扰少,因此DEER在生物体系中的应用最近才得到意识。DEER测定的距离分布宽窄决定着分辨率的高低,如何窄化测定的距离分布是目前DEER发展的一个重要方向。另外,细胞内的DEER测定与细胞外的研究需要克服探针的稳定性,通常DEER测量中用到的游离基在细胞内稳定性差,一些过渡金属离子探针的细胞毒性和与细胞内源金属蛋白的竞争也是一个挑战。最近南开大学的苏循成(点击查看介绍)团队和以色列威兹曼科学研究院Daniella Goldfarb(点击查看介绍)教授合作发展了细胞内DEER测量的方法,并成功结合生物核磁和电子自旋共振方法研究细胞内蛋白质的动态行为。以色列威兹曼研究院Daniella Goldfarb教授提出了通过Gd(III)-Gd(III)测定大分子距离,在高场状态下,Gd(III)给出非常窄的-1/2到1/2的跃迁峰,并成功应用到大分子距离测量中(Phys Chem Chem Phys, 2014, 16, 9685-9699)。南开大学的苏循成课题组自2013年起与Goldfarb教授在发展顺磁探针并利用NMR和EPR技术研究蛋白质结构和动态学方面展开了积极合作。最近两个课题组发展了通过核磁共振优化顺磁探针的刚性,并成功应用于DEER距离的测量,展示了顺磁核磁共振中PCS和RDC的综合利用,不但可以揭示蛋白质的动态变化,还可以通过顺磁核磁发展的刚性顺磁探针窄化DEER测定的距离分布(Dalton, 2015, 44, 20812-20816)。继PCS成功测定活性细胞内蛋白质的三维结构(Chem. Commun., 2016, 52, 10237-10240)的基础上,中方课题组通过生物核磁共振技术发展了一类高活性的大环探针,这类探针与蛋白质定点反应的活性高并且专一性好(图1)。 图1. 应用于细胞内DEER距离测量的蛋白质定点标记路线。该类大环探针定点标记的蛋白质在高分辨核磁共振波谱中表现出良好的刚性和稳定性(图2),磁各向异性的镧系离子标记后的蛋白质在核磁共振波谱中产生显著的PCS,并由于吡啶氮的配位极大增强了探针的刚性。图2. DOTA大环探针定点标记ubiquitin E64C的异核单量子相关谱(15N-HSQC),其中DO3MA-3BrPy-Tm标记的蛋白(蓝色),DO3MA-3BrPy-Y(红色)。通过核磁共振优化的DO3MA探针同时应用于蛋白质的双标记。以ubiquitin E64C/G35C、E64C/D39C和E64C/L73C三对双突变体为目标蛋白,DO3MA-3BrPy-Ln标记的反应在室温和pH=8的条件下6个小时内完成,标记效率达到80%。中方课题组通过核磁共振技术发现引入顺磁探针后对蛋白质结构的影响很小,并且顺磁探针在两个位点的磁感应张量Δχ 可以叠加,充分说明修饰到蛋白质上的两个顺磁中心的刚性。随后以色列课题组对标记的蛋白质进行了细胞外和细胞内的DEER测定,并且对把蛋白质导入细胞的不同方式行了比较(图3和图4)。图3. 10 K下W-波段的ED-EPR谱。图中可以看出细胞内源的Mn2+具有较高的浓度,其中红色和黑色分别是把目标蛋白以低渗透和电转方式导入细胞中的图谱。图4. W-波段的DEER谱,其中A和C中分别以低渗透和电转方式把标记的目标蛋白导入到活细胞后不同培养时间段的EPR谱;B和D分别是A和C数据拟合得到的距离信息。研究人员对导入细胞后顺磁标记的蛋白质在细胞培养里进行了稳定性跟踪,并通过不同培养时间段的细胞分别进行了EPR测定(图4)。这类刚性的顺磁探针给出了预期的窄距离DEER测量结果,结果表明DO3MA-3BrPy-Gd探针在细胞内具有较高的稳定性,在活细胞内能稳定10小时以上,并且没有发现多聚泛素化的发生。由于ubiquitin在细胞内难以观察到核磁信号,而DEER的结果充分表明顺磁核磁和电子顺磁共振在研究细胞内大分子作用、结构和动态变化过程的高度互补性。这一成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed. 上。该论文作者为:Yang Y, Yang F, Gong YJ, Chen JL, Goldfarb D, Su XC.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):A reactive, rigid GdIII labeling tag for in-cell EPR distance measurements in proteins Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 2914-2918, DOI: 10.1002/anie.201611051导师介绍苏循成http://www.x-mol.com/university/faculty/11898 Daniella Goldfarbhttp://www.x-mol.com/university/faculty/40466 X-MOL分析领域学术讨论QQ群(292125992)

基于核酸适配体结构转换策略调控石墨烯量子点荧光信号

基于核酸适配体的荧光传感技术目前已广泛应用于生命分析、临床诊断及环境科学等领域,其核心设计理念是利用靶分子的引入导致荧光信号打开或关闭来实现传感分析。传统荧光传感器的构建离不开荧光基团和淬灭基团的协助,目前按照荧光基团划分可分为有机荧光染料和无机量子点荧光纳米材料,而淬灭剂则常选用同有机染料光谱匹配的有机分子及可作为荧光共振能量转移FRET受体的纳米Au或富含π电子的石墨烯材料等。组分的多样及修饰操作繁琐,使人们思考能否简化荧光传感体系,在不使用淬灭剂的前提下发展新的无机荧光材料—核酸适配体的生物结合材料,构建高灵敏度的荧光适配体传感器。石墨烯家族的新兴成员——石墨烯量子点(GQDs),由于其良好的荧光性能及生物相容性引起了人们的广泛关注。不同于以往石墨烯材料作为荧光淬灭剂同核酸适配体的结合,如果作为荧光基团引入传感体系,石墨烯—核酸适配体这对老朋友的再次相聚又会擦出怎样的火花。近日,北京化工大学张瑛洧副教授(点击查看介绍)课题组与北京大学郭少军教授(点击查看介绍)团队合作,以石墨烯量子点作为荧光信号基团,考虑到石墨烯量子点具有独特的可通过调控聚集及解聚状态实现荧光信号开关控制的特性,因而引入核酸适配体的结构转换策略,来调控石墨烯量子点在聚集和解聚状态下荧光信号的淬灭及恢复,从而构建一种无需淬灭剂的荧光信号“off-on”的新型核酸适配体荧光传感器,通过选择霉菌毒素赭曲霉素A(OTA)作为典型的待检测目标进行研究。首先在OTA核酸适配体及与其部分互补的短链探针DNA的相邻一端分别修饰石墨烯量子点,当这两种单链ssDNA-GQDs混合时,通过DNA杂交作用,诱导相应末端修饰的石墨烯量子点之间的近距离接触及聚集。通过测试荧光寿命,提出量子点之间可能发生激子能量转移,从而导致荧光信号淬灭。加入目标分析物OTA后,其与适配体DNA的特异性结合,竞争替换下短链探针DNA,触发石墨烯量子点聚集体的解聚及重新分散,体系荧光强度恢复,从而实现了对OTA的选择性识别以及高灵敏度检测。该适配体传感器的设计无需荧光淬灭剂,通过引入石墨烯量子点荧光材料并利用DNA的结构转换策略对其聚集状态及荧光进行调控,这一设计策略可进一步拓展到其它检测体系,为核酸适配体荧光传感器的构建提供了新的思路。相关研究成果已在Analytical Chemistry 杂志上发表,该论文的第一作者为北京化工大学2014级硕士生汪松,共同通讯作者为北京化工大学张瑛洧副教授和北京大学郭少军教授。该研究工作得到了国家自然科学基金委的支持。该论文作者为:Song Wang, Yajun Zhang, Guangsheng Pang, Yingwei Zhang, and Shaojun Guo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):Tuning the Aggregation/Disaggregation Behavior of Graphene Quantum Dots by Structure-Switching Aptamer for High-Sensitivity Fluorescent Ochratoxin A SensorAnal. Chem., 2017, 89, 1704−1709, DOI: 10.1021/acs.analchem.6b03913导师介绍张瑛洧http://www.x-mol.com/university/faculty/17340 郭少军http://www.x-mol.com/university/faculty/18935 X-MOL分析领域学术讨论QQ群(292125992)

筛选与设计策略相结合实现ONOO-的高选择性荧光检测

近年来,随着生命科学的不断发展,人们对细胞内活性小分子在病理、生理等方面的功能研究越来越深入。荧光成像作为一种直观、原位的可视化观测技术在小分子检测方面得到了广泛的应用。其中,以有机荧光团为基础的分子荧光探针具有灵敏度高、操作简便、重现性好、膜透性好等众多优点,可方便用于生物体系中目标分子的原位实时无损伤检测,并用于监控活细胞与活体中生物分子及其生物过程,具有较好的应用前景。过氧化亚硝酰阴离子(ONOO-)是一种在生物体内具有重要生理作用的氧化能力很强的活性氧。然而,当生物体内ONOO-浓度异常时,容易产生许多临床疾病,如炎症、阿耳茨海默氏病、自身免疫疾病和癌症等。因此,高灵敏和高选择性分子荧光探针的开发对于动态检测细胞内活性氧ONOO-含量的变化具有重要的意义。但发展高选择性的ONOO-检测方法一直是困扰各研究者的难点问题。近日,湖南大学的袁林教授(点击查看介绍)团队通过染料筛选与设计策略相结合的方法,开发了一种高选择性的小分子ONOO-荧光探针。基于筛选与设计相结合的策略为发展其它分析物高选择性分子荧光探针提供了新的设计思路和方法。图1. 探针设计示意图在本研究中,该团队对常见的染料进行筛选,成功获得了选择性被ONOO-降解的荧光染料,在此基础上,引入对ONOO-稳定的染料作为能量供体,开发了一类基于荧光共振能量转移机理的高选择性ONOO-比率荧光探针,避免了来自生物体内其他活性物质的干扰。图2. 染料1-19对各种活性物质的响应由于该探针选择性好、灵敏度高、生物相容性好以及线粒体靶向等特点,该团队利用此探针不仅实现了细胞、组织水平上ONOO-含量变化的检测,也成功实现炎症疾病模型下ONOO-含量微量变化的检测,使得探针可以作为一种有用的工具来研究生物体中ONOO-的化学生物学。图3. 炎症组织中ONOO-的比率检测这一成果最近发表在化学领域顶级刊物J. Am. Chem. Soc.,第一作者是博士生程丹,通讯作者是袁林教授。该工作的完成也得到国家自然科学基金委等的大力支持。该文章作者为:Dan Cheng, Yue Pan, Lu Wang, Zebing Zeng, Lin Yuan, Xiaobing Zhang, and Young-Tae Chang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):Selective Visualization of the Endogenous Peroxynitrite in an Inflamed Mouse Model by a Mitochondria-Targetable Two-Photon Ratiometric Fluorescent ProbeJ. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 285–292, DOI: 10.1021/jacs.6b10508导师介绍袁林http://www.x-mol.com/university/faculty/40462 X-MOL分析领域学术讨论QQ群(292125992)

仿生SERS传感器用于肺癌呼出标志物的超灵敏检测

人类的呼出气直接来源于肺的新陈代谢,因此可以通过检测呼出气中特征标志物的改变,来反映肺部的生理或病理状态。研究发现肺癌呼出物中的特征标志物有42种,分属于7大类(烃类、醇类、醛类、酮类、酯类、腈类和芳香族化合物)。能否通过检测患者呼出物中的这些特征标志物来判断其是否患肺癌呢?近日,中国科学院化学研究所的王铁研究员(点击查看介绍)团队制备了一种树枝状银纳米晶基SERS传感器用于肺癌呼出标志物的超灵敏检测。肺癌是发病率和死亡率最高的恶性肿瘤疾病,对人类的生命健康威胁巨大。研究发现,肺癌的筛查及早期诊断是改善预后的关键,然而由于肺癌早期缺乏特异性症状,因而早期发现困难。通过呼吸标志物的检测来诊断肺癌具有无损、直接、廉价的特点,因而成为肺癌诊断研究的热点。但受制于肺癌呼出气中特征标志物的浓度极低且湿度大等缺点,传统的检测手段在肺癌呼出标志物的高效检测中受到了限制。受益于贵金属表面的电磁增强及吸附分子的化学增强,表面增强拉曼散射(SERS)效应能够实现单分子的高灵敏、高选择的指纹性检测,因而成为气体分子检测的理想方法。但是,肺癌呼吸特征标志物的弱拉曼活性及固体表面气体分子难以吸附,限制了SERS在肺癌检测诊断方面的应用。醛类气体分子SERS检测的机理图王铁研究员团队采用一个可操控的SERS策略,来检测弱拉曼活性的醛类气体分子,达到肺癌病人早期快速诊断的目的。首先,他们仿生蛾的触角结构,利用结晶潜热的释放可控制备了枝状结构的银纳米晶。通过银枝状晶结构中形成的大量空腔结构引起“空腔涡流”效应,延长气流中的气体分子与枝状晶表面的作用时间,从而促使气体分子的沉积/吸附。接着,他们通过在纳米银枝状晶表面预接枝拉曼活性的探针分子——对氨基苯硫酚(4-ATP),利用4-ATP与醛类分子的亲核加成反应生成亚胺类物质,引起醛类分子捕获前后拉曼特征峰的变化,实现醛类气体分子的检测。由于SERS检测的本身属性,醛类气体分子的检测不受周围环境(湿度)的影响,且检测灵敏度极高,检测限达到ppb量级。由于极其微量的醛类气体分子可以被高灵敏捕捉和检测,这种新颖的策略在非侵入性肺癌的筛选等领域具有巨大的实际应用价值。这一成果近期发表在Analytical Chemistry 上,文章的第一作者是中国科学院化学研究所博士研究生张振。该论文作者为:Zhen Zhang, Wei Yu, Jing Wang, Dan Luo, Xuezhi Qiao, Xiaoyun Qin, Tie Wang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):Ultrasensitive SERS sensor of gaseous aldehydes as biomarkers of lung cancer on dendritic Ag nanocrystalsAnal. Chem., 2017, DOI: 10.1021/acs.analchem.6b05117王铁研究员简介王铁,中国科学院化学研究所研究员。2008年于中国科学院长春应用化学研究所获得博士学位,2008年至2013年在美国伦斯勒理工学院和佛罗里达大学化学系工作,2013年7月起就职于中国科学院化学研究所。研究领域是新型纳米材料的制备和组装以及功能纳米材料在环境科学和新能源中的应用研究。他在相关领域发表SCI论文50多篇,其中包括Science、J. Am. Chem. Soc.、P. N. A. S.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Small 等国际重要核心刊物,先后获得中国科学院“百人计划”、中组部“青年千人计划”及国家优秀青年科学基金等。http://www.x-mol.com/university/faculty/15549 X-MOL分析领域学术讨论QQ群(292125992)

基于AIE分子的双探针系统应用于溶液及细胞内的端粒酶活性检测

端粒酶在大部分肿瘤组织中大量表达且活性增强,而在正常组织中活性通常极低,因此已成为一种广为人知的肿瘤标志物。组织细胞内端粒酶活性的准确、灵敏检测对肿瘤诊断与治疗具有极其重要的意义。近日,华中科技大学夏帆教授(点击查看介绍)与娄筱叮副教授(点击查看介绍)课题组结合两种具有聚集诱导发光效应(AIE)的荧光染料,构筑了双荧光信号输出的探针系统,实现了端粒酶提取物及活细胞内的端粒酶活性高灵敏、高特异性检测。此项研究中采用的正电荷AIE荧光染料在高度分散状态下呈现出极弱荧光或无荧光,而在聚集状态下则呈现出高强度荧光发射。端粒酶能够在其引物DNA 3'-末端重复添加序列TTAGGG使之延长,随着引物DNA链的增长,单根负电性DNA链上能够结合的正电荷AIE染料分子越多,AIE染料分子的聚集程度越大,体系荧光也就越强。研究利用两种发射波长不同且具有荧光共振能量转移(FRET)效应的正电荷AIE染料,可同时与具有负电荷的引物DNA链相互作用。随着体系内端粒酶活性的提高,两种AIE染料逐渐聚集于增长的引物DNA链上并发生FRET现象,两种荧光信号同时增强。这种基于AIE分子的双探针系统弥补了长波长AIE染料的低灵敏度,同时解决了短波长AIE染料不适用于活细胞内直接成像观察的问题。由此,研究团队将该双探针系统分别应用于不同肿瘤细胞系端粒酶提取物、膀胱癌病人尿液样本端粒酶提取物及不同肿瘤细胞系活细胞内的端粒酶活性检测,均获得了令人满意的检测结果。实验结果显示,该双探针系统不仅可以拓宽端粒酶提取物中端粒酶活性检测的线性范围,而且能够降低活细胞中端粒酶活性检测的成像背景,提高检测灵敏度。此项研究成果于2017年1月发表在Analytical Chemistry 上,文章第一作者为华中科技大学博士研究生庄原与硕士研究生尚春莉。该论文作者为:Yuan Zhuang, Chunli Shang, Xiaoding Lou, Fan Xia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):Construction of AIEgens-Based Bioprobe with Two Fluorescent Signals for Enhanced Monitor of Extracellular and Intracellular Telomerase ActivityAnal. Chem., 2017, 89, 2073−2079, DOI: 10.1021/acs.analchem.6b04696导师介绍夏帆http://www.x-mol.com/university/faculty/10752 娄筱叮http://www.x-mol.com/university/faculty/10772 X-MOL分析领域学术讨论QQ群(292125992)

高通量筛查环境中的痕量新型化学污染物

人造化学品的大量使用和违规排放给生态环境及人体健康带来了严重的负面影响。要想了解环境污染对人体健康的影响,首先要能够获取环境介质与人体中大量的污染物数据,这要求分析方法同时具备高分析通量、超高灵敏度和很强的抗基底干扰能力。目前来讲,这仍是环境分析中的难题。近日,中科院生态环境研究中心环境化学与生态毒理学国家重点实验室的刘倩研究员(点击查看介绍)及其合作者通过使用一种新型的氟化石墨烯质谱探针,实现了复杂环境介质中多种未知痕量新型化学污染物的高通量筛查与鉴定。研究人员首先使用氟化石墨烯对复杂环境样品中的痕量未知污染物进行富集,然后将吸附了污染物的氟化石墨烯探针直接进行SELDI-TOF MS分析,无需复杂的样品前处理步骤,即可快速地鉴定出环境样品中的痕量污染物。研究人员发现,与常规的石墨烯相比,氟化处理可以增强石墨烯探针对更多类型污染物的响应。有趣的是,氟化后的石墨烯能够自组装形成一种三维蜂窝状结构,这种结构能够显著提高分析物的质谱响应和分析重现性。这一方法克服了传统色质串联技术操作复杂、分析通量低、耗时耗力等缺点,也避免了传统MALDI-TOF MS在低质量区域的干扰及灵敏度的不足。研究人员成功地用这一方法筛查了纸产品和罐头食品中的双酚S,并从污水处理厂的复杂污泥样品中快速鉴定出了多达28种卤代季铵盐类污染物。这一成果近期发表在Analytical Chemistry 上,论文第一作者是中科院生态环境研究中心与湖南大学的联合培养硕士生黄秀。该研究团队在痕量污染物的高通量质谱筛查方面已开展了大量的研究,开发了一系列适用于小分子分析的新型MALDI基质或SELDI探针,并实现了单滴人全血中的多种痕量有害污染物的快速筛查鉴定等。该论文作者为:Xiu Huang, Qian Liu, Xiaoyu Huang, Zhou Nie, Ting Ruan, Yuguo Du, Guibin Jiang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):Fluorographene as a Mass Spectrometry Probe for High-Throughput Identification and Screening of Emerging Chemical Contaminants in Complex Samples Anal. Chem., 2017, 89 , 1307–1314, DOI: 10.1021/acs.analchem.6b04167刘倩研究员简介中科院生态环境研究中心研究员,中国科学院大学岗位教授,中科院青年创新促进会理事长。主要研究方向为环境分析化学,在痕量污染物分析方法及溯源技术方面做出了较为系统的工作;目前已发表SCI论文73篇,其中在Nature Nanotech.、Angew. Chem. Int. Ed.、Anal. Chem.、Chem. Commun.、Chem. Eur. J. 等期刊发表第一/通讯作者论文30篇,被引用2700多次。2014年获国家基金委优秀青年基金并入选中科院卓越青年科学家项目。获中国化学会青年化学奖、中国环境科学学会青年科技奖、中科院卢嘉锡青年人才奖、全国百篇优秀博士论文、Shimadzu Young Scientist Award等。http://www.x-mol.com/university/faculty/40443 X-MOL分析领域学术讨论QQ群(292125992)

聚集诱导发光探针在脂滴特异性荧光成像中的应用进展

脂滴不仅是脂类分子和蛋白质的重要贮存场所,而且是一个动态变化的多功能细胞器,在膜合成、蛋白降解、信号传导等生理过程中发挥着重要作用。脂滴的数量、分布、形态和运动变化与多种疾病密切相关,包括脂肪肝、心血管疾病、炎症、癌症和病毒感染等。近年来,脂滴的生理功能研究日益获得广泛关注,而为了研究其生理功能,迫切需要开发脂滴特异性成像探针。荧光成像具有高灵敏度、高分辨率、易于操作等优点,但当前用于脂滴成像的BODIPY等传统荧光染料,具有聚集淬灭发光、光稳定性差、难以制备等缺点。为了克服传统脂滴荧光成像染料的不足,近日华南理工大学的唐本忠院士(点击查看介绍)和秦安军教授(点击查看介绍)团队利用所开发的聚集诱导发光(AIE)探针实现了脂滴特异性的双光子激发荧光成像和光激活荧光成像,可实现对脂滴运动变化的实时监测以及复杂细胞环境下特定细胞内脂滴的点亮荧光成像。他们首先通过简单的一步Knoevenagel缩合反应,以三苯胺醛和茚二酮为底物,高收率制备了IND-TPA探针。通过研究其光物理性质,发现IND-TPA探针具有典型的聚集诱导发光行为,这是由于分子内运动受限和扭曲的分子内电荷转移效应造成的。该探针在近红外区具有较大的双光子吸收截面,在920 nm处的双光子吸收截面值为119 GM,可用于双光子激发的脂滴特异性荧光成像(图1)。通过与商品化的脂滴染料BODIPY493/503的共染实验,证实了该探针对脂滴成像具有特异性,荧光信号的重叠系数高达0.96。图1. 近红外双光子激发AIE探针IND-TPA用于脂滴特异性荧光成像AIE探针IND-TPA具有优异的生物相容性。以HCC827和A549细胞为例,在不同浓度下(5,10,20,40,60,80,100 µM),IND-TPA均表现出很低的细胞毒性。IND-TPA探针还具有成像信噪比高和光稳定性强等优点,可通过近红外双光子激发荧光成像,有效减少光损伤,适于长期连续观测脂滴的分布和运动变化。例如,可通过不同时间的脂滴成像叠加图,清楚指示脂滴的位置变化(图2),有效克服了传统脂滴荧光探针背景噪音高和光稳定性差等缺点。图2. AIE探针IND-TPA监测脂滴在细胞内的分布和运动变化为了实现脂滴特异性的光控高时空分辨荧光成像,他们随后基于1,2-二氢-2-氮杂芴酮类化合物,发展了具有光激活能力的AIE前驱体探针。该前驱体探针1可在光照和氧气作用下,通过氧化脱氢反应,生成具有AIE性质的2-氮杂芴酮类化合物2。基于1,2-二氢-2-氮杂芴酮类化合物的光激活AIE前驱体探针不仅可实现快速、高点亮比率的脂滴特异性荧光成像,而且能够在复杂细胞环境下,实现光控高时空分辨荧光成像。例如,前驱体探针1a在HCC827细胞内,405 nm激光照射下,随光照时间延长,体系荧光强度迅速增加265倍以上,表明1a具有快速光激活生成2a和高点亮比率的优点(图3)。在多细胞环境下,1a可通过光照调控在细胞内生成2a的空间位置和速率,实现对不同区域细胞的依次逐个点亮(图4),特别有利于研究复杂环境下单个细胞内脂滴的生理功能(图5)。不同胺基取代的光激活AIE前驱体探针1b和1c也具有很好的脂滴特异性光激活成像能力。而且,该类光激活AIE前驱体探针不会受到H2O2,t-BuOOH和NaOCl等水溶性氧化试剂的干扰。图3. 光激活AIE前驱体探针对脂滴的光激活荧光成像图4. AIE前驱体探针的光控高时空分辨荧光成像图5. AIE前驱体探针在脂滴特异性光激活荧光成像中的应用脂滴特异性AIE探针具有制备简易、近红外区双光子吸收截面值大、光激活效率高、光稳定性强、生物相容性好等诸多优势,可有效克服传统脂滴荧光探针的聚集淬灭发光和光稳定性差等缺陷,还可用于研究脂滴的分布、形态及运动变化与新陈代谢类疾病的关系,在生物医学领域具有重要的应用价值。该工作得到了科技部和国家自然科学基金委等项目的资助。相关研究成果近期分别发表在Chemical Communications1和Chemical Science2上,文章的共同第一作者是高蒙博士和香港科技大学在读博士研究生苏会芳。1.该文章作者为:Meng Gao, Huifang Su, Shiwu Li, Yuhan Lin, Xia Ling, Anjun Qin, Ben Zhong Tang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):An easily accessible aggregation-induced emission probe for lipid droplet-specific imaging and movement trackingChem. Commun., 2017, 53, 921-924, DOI: 10.1039/C6CC09471F2.该论文作者为:Meng Gao, Huifang Su, Yuhan Lin, Xia Ling, Shiwu Li, Anjun Qin, Ben Zhong Tang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):Photoactivatable aggregation-induced emission probes for lipid droplets-specific live cell imagingChem. Sci., 2017, 8, 1763-1768, DOI: 10.1039/C6SC04842K导师介绍唐本忠http://www.x-mol.com/university/faculty/7059秦安军http://www.x-mol.com/university/faculty/26981X-MOL分析领域学术讨论QQ群(292125992)

DNA折纸结构力学探针助力基因分析

近日,中国科学院上海应用物理研究所物理生物学研究室与上海交通大学、南京邮电大学合作,基于DNA纳米技术发展了一系列DNA折纸结构并作为纳米力学成像探针,实现了原子力显微镜下对基因组DNA的直读检测和高分辨成像。相关结果发表在Nature Communications 上。DNA折纸结构是利用DNA碱基互补配对原则,通过程序性设计将M13 DNA在上百条DNA短链的辅助下折叠成指定的几何形状。上海应用物理研究所张宏陆博士等在樊春海研究员的指导下与晁洁、师咏勇教授等合作,通过设计DNA折纸结构作为原子力显微镜的纳米力学成像探针,在单分子水平下实现了对DNA分子的特异性标记和单核苷酸变异性(SNP)的直读检测。相比于基于荧光成像的直读方法,这种新技术将分辨率提升了一个数量级,可达到远超光学衍射极限的10纳米分辨率。基于DNA纳米折纸结构设计的探针为原子力显微镜的图像获取提供了精确的标尺和丰富的选择,为遗传分析等生物学应用提供了新的工具。除此之外,他们还将该方法与之前发展的纳米PCR和单倍型分析技术(Nature Nanotechnology, 2011, 6, 639)结合,实现了单分子水平的遗传样本单倍型分析。这种单分子水平的单倍型分析通量高、可靠性好,有望用于易感基因的发现、疾病相关基因的鉴定和药物设计等方面。该论文作者为:Honglu Zhang, Jie Chao, Dun Pan, Huajie Liu, Yu Qiang, Ke Liu, Chengjun Cui, Jianhua Chen, Qing Huang, Jun Hu, Lianhui Wang, Wei Huang, Yongyong Shi & Chunhai Fan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):DNA origami-based shape IDs for single-molecule nanomechanical genotypingNat. Commun., 2017, 8, 14738, DOI: 10.1038/ncomms14738X-MOL分析领域学术讨论QQ群(292125992)

磁纳米核酸探针实现活细胞内APE1酶的荧光成像

人脱嘌呤脱嘧啶核酸内切酶(APE1)是DNA碱基切除修复过程中的一种重要核酸修复酶,对维持遗传的稳定性和细胞的正常生理活动发挥关键的作用。同时,APE1还是体内的氧化还原因子,调控细胞的氧化应激响应。APE1与肿瘤细胞的增殖、分化和凋亡等密切相关。在活细胞内原位观测APE1的活性变化及其对外界刺激的响应对研究癌症的发生、发展机理并开发有效的诊疗手段有非常重要的意义。北京大学赵美萍教授(点击查看介绍)课题组首次发现并利用APE1与亲和素(AVD)之间的特异性相互作用,设计开发了一种对APE1具有选择性响应能力的磁纳米核酸荧光探针。她们在研究中发现,硅包磁纳米颗粒表面的化学修饰对DNA与核酸酶之间的相互作用有显著的影响。当在硅包磁纳米颗粒表面共价修饰AVD时,通过末端标记的生物素固定到纳米颗粒表面的含空位DNA荧光探针链对APE1具有选择性响应能力,而不受其它类型核酸酶的干扰。如图1所示,该探针在初始状态时,DNA链上荧光团发出的荧光被磁纳米核淬灭。进入活细胞后,AVD通过与APE1的特异性相互作用选择性地将复杂细胞环境中的APE1聚集到纳米颗粒表面,对DNA双链中脱碱基空位5'侧的磷酸二酯键进行切割,并产生荧光信号。其它的核酸酶由于不存在上述特异性相互作用,对纳米颗粒表面的DNA结构几乎没有影响。此外,纳米颗粒表面AVD的修饰也大大提高了连接DNA的数量,增强了DNA与磁纳米载体结合的稳定性。该纳米探针生物相容性好、灵敏度高,可快速进入细胞,不仅可以实现短时间内对细胞中APE1的原位荧光成像(图2),而且具有在过表达APE1的癌细胞中选择性释放药物的潜力,为癌症的精准诊疗提供了一种新颖的途径。图1.  磁纳米核酸荧光探针的制备过程及原理示意图图2.  磁纳米核酸探针磁转染30分钟到HeLa细胞后随时间变化的荧光图相关研究成果发表在国际著名期刊Nucleic Acids Research 上,第一作者为博士研究生翟筠秋。该论文作者为:Junqiu Zhai, Yibin Liu, Shan Huang, Simin Fang, Meiping Zhao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):A specific DNA-nanoprobe for tracking the activities of human apurinic/apyrimidinic endonuclease 1 in living cells. Nucleic Acids Res., 2017, 45, 45. DOI: 10.1093/nar/gkw1205导师介绍赵美萍http://www.x-mol.com/university/faculty/8651 X-MOL分析领域学术讨论QQ群(292125992)

老问题,新思路:一种细胞全蛋白质组分析新方法

注:文末有研究团队简介 及本文作者科研思路分析蛋白质组学研究领域发展迅猛且备受关注。但是蛋白质种类繁多、理化性质各异一直是影响鉴定结果中蛋白质组成真实性的主要因素。那么,有没有可能越过提取蛋白质样品这一关键环节,规避蛋白质理化性质的不同而形成对蛋白质提取的偏好性?近日,复旦大学的陆豪杰(点击查看介绍)团队建立了一种直接在细胞层面进行酶解处理的样品制备并应用于后续质谱分析的新方法。自人类基因组计划提出以来,如何解释基因功能成为后基因组时代生命科学研究的核心命题之一。在此背景下,蛋白质组学技术应运而生,使人类得以从全局视角审视蛋白质相关的生物学机理,大大加速了人类对生命活动规律的认知过程。近年来,生物质谱的飞速发展极大推动了蛋白质组学领域的发展,然而生物质谱分析的样品制备环节一直是整个蛋白质组学分析流程中的瓶颈。传统的样品制备流程包括细胞裂解、蛋白质提取、蛋白质酶解、肽段提取、肽段除盐等步骤,这一冗长的样品制备流程极大限制了蛋白质组学技术的推广。复旦大学陆豪杰团队建立了一种直接在细胞层面进行胰酶酶解处理的样品制备新方法。这一方法借助聚丙烯酰胺凝胶实现了直接在细胞层面进行细胞全蛋白质组的酶解和后续质谱分析。当细胞溶液被加入到含真空干燥的凝胶颗粒的离心管中,溶液中的细胞通过吸胀的方式进入凝胶颗粒中。嵌入在凝胶颗粒中细胞的蛋白质直接被胰酶酶解成肽段,随后送入质谱进行鉴定。由于细胞吸胀进入凝胶颗粒后直接进行胶内胰酶酶解,省去了传统方法中细胞裂解、蛋白质提取和蛋白质沉淀等额外步骤,大大降低了样品制备的繁杂性。由于细胞中所有蛋白质都随着吸胀过程进入凝胶颗粒中,一些较难溶的蛋白质在胰酶的作用下变成易溶的肽段,因而无须额外加入去垢剂。由于摆脱了对去垢剂的依赖,这一方法可适用于诸多难溶性蛋白质和蛋白质翻译后修饰的研究。由于该方法对蛋白质的理化性质没有偏好性,保证了鉴定蛋白质组成的真实性和完整性。这一成果近期发表在Chemical Communications 上,文章的第一作者是复旦大学博士研究生熊云。该论文作者为:Yun Xiong, Ying Zhang, Jun Yao, Guoquan Yan, Haojie Lu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):Direct digestion of living cells via a gel-based strategy for mass spectrometric analysisChem. Commun., 2017, 53, 1421-1424, DOI: 10.1039/C6CC08316A陆豪杰博士简介陆豪杰,复旦大学教授,博士生导师。1996年毕业于厦门大学化学系,获学士学位;2001年毕业于中科院兰州化学物理研究所,获分析化学博士学位;2001年于中科院上海有机化学研究所从事博士后研究;2003年起在复旦大学任职。陆豪杰的研究兴趣是基于生物质谱的蛋白质组学新技术与方法的开发与应用研究。近年来,主持包括国家重点研发计划、国家自然基金重点项目和973课题等在内的国家及省部级项目十余项,在包括Nat. Immun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Mol Cell Proteomics、Anal. Chem.、J. Proteome Res. 等在内的学术期刊上发表SCI论文164篇,他引2700余次。2010年国家自然科学基金委“杰出青年基金”获得者,2014年入选科技部创新人才推进计划,2016年入选第二批“万人计划”领军人才。http://www.x-mol.com/university/faculty/9645科研思路分析Q:这项研究的想法是如何产生的?A:如今基于生物质谱蛋白质组学技术的应用越来越广泛。如何通过创新实验方法,提高这一技术的可移植性至关重要。然而,蛋白质组学样品制备流程过于繁琐,在一定程度上阻碍了这一技术的进一步推广。我们开展这一研究的初衷就是要建立一种更加简化的样品制备方法,从而促进蛋白质组学技术更广泛的应用。Q:研究中遇到的主要挑战在哪里?A:这一研究的主要挑战在于所获得的大量数据如何进行系统的分析,进而实现对新方法可靠、客观的评估。Q:这项研究成果有哪些可能的应用或社会效应?A:这一研究成果对于分析生命体中复杂的蛋白质组成和变化有较强的借鉴意义,有利于更加快速和真实地了解生命体中蛋白质的组成和变化,有利于更好地从蛋白质角度了解生理和病理过程。X-MOL分析领域学术讨论QQ群(292125992)

哥大闵玮组Nature:新型显微术突破传统光学成像的颜色极限

生命科学研究水平的发展很大程度上要归功于新型研究手段和生物技术的创新。其中,光学成像技术贯穿了生命科学研究的历史与未来。上至17世纪列文虎克利用显微镜开创了微生物学,下到如今已经广泛应用的荧光共聚焦显微镜,这个领域的每一次技术突破都极大地增强了人们认识微观世界的能力。近年来,光学显微镜技术在不断地突破自身的局限。例如2000年以来兴起的超分辨荧光成像技术,已经突破了光学衍射极限。时至今日,人类进入大数据和系统生物学时代,另一个日益显著的挑战摆在眼前:在复杂的生物系统中,如何对多种组分进行无损,快速,高灵敏度的同时成像?传统的荧光成像方法中,由于其探针发射光谱有较宽的宽度(~50 nm),可见光波长区最多可以容纳5种颜色。正因为此,最多5种生物组分能被同时成像。要想在复杂体系里根本性地突破这个“颜色极限”,需要寻求全新的光谱学手段以及发展相应的特异性探针系列。美国哥伦比亚大学化学系闵玮教授(点击查看介绍)的团队近日报道了一种全新的成像技术:电子预共振受激拉曼散射显微镜(Electronic Pre-Resonance Stimulated Raman Scattering Microscopy)。该技术结合了拉曼散射光谱窄(~1 nm)以及荧光分析灵敏度高的优点。结合荧光成像技术,作者报导了24种颜色各异的探针,展示了多达16种颜色的活细胞成像和8种颜色的脑组织成像。这项工作近期发表于Nature上。美术设计: Nicoletta Barolini / Columbia University电子预共振受激拉曼散射是拉曼散射的一种特殊形式。拉曼散射信号通常很微弱,受激拉曼散射通过两束满足共振条件泵浦和斯托克斯激光与分子特定振动发生特异性耦合来增强信号。受激拉曼散射和生物成像的结合自2008年被哈佛大学谢晓亮教授在Science杂志报导以来(Science, 2008, 322, 1857-1861;闵玮教授也是该技术的主要发明人),已经被广泛应用在生命分析研究中。电子共振拉曼散射则是另一种增强拉曼信号的方法:当泵浦激光的频率接近分子的电子能级跃迁频率(即吸收波长)时,与电子能级跃迁耦合相关的分子振动光谱也被选择性增强。因此,将电子共振拉曼散射和受激拉曼散射结合,可以极大地提升拉曼信号。然而当泵浦激光频率严格等于分子的电子能级跃迁频率时,分子不但会经历电子共振受激拉曼散射,同时也有其他的泵浦-探测过程干扰检测信号。作者发现,当泵浦激光频率略低于分子的电子能级跃迁频率(实验发现与分子吸收峰相差2100波数左右)时,可以在实现最大的信号增强的同时,避免检测背景的干扰。这项技术就是电子预共振受激拉曼散射,可以将以前普遍使用的无共振的受激拉曼散射信号提升1000倍左右,1毫秒内的对应检出限在250 nM,从而可以胜任大部分生物分子的成像分析。美术设计: Nicoletta Barolini / Columbia University接下来,闵教授团队着力于寻找和开发合适的分子探针。由于选用的泵浦激光器波长在900 nm左右,其对应的预共振拉曼探针吸收波长在650-750 nm时,可以实现最佳的信号提升。这个波长段的商用分子探针,如Alexa647、Atto740等,都在C=C碳碳双键区间显示了特征的预共振拉曼谱。利用5种商用分子探针的预共振拉曼散射并结合3种荧光探针,作者实现了8种颜色的活细胞成像。为了进一步克服碳碳双键区间波段非常拥挤的缺点,作者创新地发明和发展了一系列含有炔基(碳碳三键)和氰基(碳氮三键)的分子探针。由于炔基和氰基的拉曼振动在无干扰的2000-2300 cm-1区间有单一的特征频率,且与生物体内常见基团有显著区别,该区间的拉曼探针可以比在拥挤的“指纹区”实现更多的“颜色”。作者结合了同位素标记和结构修饰等策略,合成了28种吸收在650-750 nm、三键振动频率在2000-2300 cm-1的新型预共振拉曼探针。作者为他们取名为Manhattan Raman Scattering(MARS)调色板。最后作者通过神经细胞和大脑切片的成像,展示了预共振受激拉曼散射显微镜及其相应探针技术在生命科学研究中的潜力。作者对小鼠海马体神经细胞进行了体外培养,并用免疫标记的方法标记了5种不同的标志蛋白,用两种正交的代谢标记对细胞内新合成的蛋白质进行脉冲-追踪实验,并用DNA染料确定细胞核的位置。通过对8种“颜色”的细胞图像进行交叉对比分析,作者观察到新生成的包涵体主要是由新合成的蛋白质构成。而星形胶质细胞中的内涵体远多于神经元细胞。作者认为这个实验支持了一个假说:星形胶质细胞可以将新合成的折叠错误的蛋白质隔离进入包涵体来减弱他们的毒性,然而神经元细胞没有这种能力,因此对蛋白质调控的错乱更加没有耐受性。在闵玮课题组看来,预共振受激拉曼散射显微镜技术的发明,不但体现了课题组在振动光谱生物成像方向上十余年的积累,也彰显了学科交叉的重要性。该项技术本身就可以看成是振动光谱与吸收光谱的协同,而发明过程也体现了新型显微镜技术与分子探针的完美结合。文章的第一作者魏璐(Lu Wei)博士是2017年美国化学会物理化学博士后奖得主,主导了预共振受激拉曼光谱学以及成像部分和神经生物学部分的工作,将于2018年在加州理工大学独立领导实验室。文章的第二作者陈知行(Zhixing Chen)博士和合作者共同完成了预共振受激拉曼探针的合成和表征。对于这项技术的未来应用,闵玮课题组表示非常乐观,相信预共振受激拉曼散射显微镜技术的发展可以使得科学工作者观测和分析复杂生命体系变得更加容易,给神经生物学,肿瘤病理,微生物组学等方向的研究带来助力。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):Super-multiplex vibrational imagingNature, 2017, DOI: 10.1038/nature22051闵玮博士简介闵玮现任哥伦比亚大学化学系终身教授。2003年本科毕业于北京大学,2008年博士毕业于哈佛大学,师从美国科学院院士谢晓亮教授,2010年起执教哥伦比亚大学。闵教授曾获2017美国化学会Early Career Award of Experimental Physical Chemistry、2017 Coblentz Award of Molecular Spectroscopy、2015 Buck-Whitney Award of ACS Eastern New York Section、2015 Camille Dreyfus Teacher-Scholar Award、2013 Alfred P. Sloan Research Fellowship、2012 National Institute of Health (NIH) Director's New Innovator Award。闵教授课题组的研究方向是基于分子光谱学开发新型光学显微镜,结合化学探针和生物技术,推动神经科学、癌症检测和疾病诊断等前沿生命科学和医学课题的发展。闵玮http://www.x-mol.com/university/faculty/1407课题组主页http://www.columbia.edu/cu/chemistry/groups/min/index.htmlX-MOL分析领域学术讨论QQ群(292125992)

利用等离子体共振能量转移构建通用分析检测模型

注:文末有研究团队简介 及本文作者科研思路分析等离子共振能量转移自从2007年首次报道以来,受到了科学界的广泛关注。由于采用单颗粒散射光作为信号输出,使得该方法具有高分析灵敏度和检测效率。近日,西南大学黄承志教授(点击查看介绍)团队在Analytical Chemistry上发表论文,报道了利用罗丹明内酰胺的开关环性质导致吸收变化,与金纳米颗粒构建了等离子体共振能量转移对,从而提出通用分析检测模型,实现了多种重金属离子的分析检测。构建等离子体共振能量转移是基于贵金属纳米颗粒的局域表面等离子体共振(LSPR)性质提出的。由于LSPR导致光浓缩效应,纳米颗粒的散射截面远远大于其物理截面,从而存在检测单颗粒的可能性。尽管贵金属纳米颗粒作为一种光学探针同样广泛的应用于高灵敏度以及高空间分辨率的分析检测方法中,但因缺乏合适的能量转移供受体对,导致基于LSPR的等离子体共振能量转移在分析检测领域的应用不够广泛。因此,构建更多的能量转移供受体对是一个亟待解决的问题。黄承志教授团队利用罗丹明类染料与金纳米颗粒光谱重叠效率高的特性,构建了新的能量转移体对并将其用于分析检测。构建的基础是罗丹明类染料的吸收大多位于550纳米左右,与金纳米颗粒的LSPR散射光谱非常匹配;构建的思路是利用罗丹明类染料的独特性质,即当它们与胺类物质进行反应时可以形成罗丹明内酰胺类化合物。该类化合物在550纳米处没有明显吸收,而当加入特定的靶物离子或分子使得内酰胺结构被破坏后,其位于550纳米处的吸收得以恢复。该检测方法对铜离子和汞离子都有着较高的灵敏度,铜离子的检测限为10 nM,汞离子的检测限为50 nM。值得一提的是,该方法的选择性很好,原因是基于罗丹明内酰胺小分子与金属离子的选择性结合,所以通过改变罗丹明内酰胺的结构可以应用于检测其他的靶物。该方法拥有很高的选择性,又有很强的通用性。该论文作者为:Ming Xuan Gao, Hong Yan Zou, Yuan Fang Li, and 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):General Sensitive Detecting Strategy of Ions through Plasmonic Resonance Energy Transfer from Gold Nanoparticles to Rhodamine SpirolactamAnal. Chem., 2017, 89, 1808–1814, DOI: 10.1021/acs.analchem.6b04124第一作者简介高铭萱,2016年于西南大学取得分析化学博士学位,导师为黄承志教授。2017年开始在美国亚利桑那州立大学从事博士后工作。研究领域是局域等离子体共振光分析化学,以第一作者身份在Chem. Commun., Nanoscale, Chem. J. Eur., Anal. Chem. 等相关领域杂志上发表了一系列研究论文。黄承志http://www.x-mol.com/university/faculty/13972科研思路分析Q:这项研究的最初目的是什么?或者说想法是怎么产生的?A:最初是考虑到,等离子体共振能量转移作为一种很有潜力的能量转移模式,却得不到很大的发展是一件十分可惜的事情。而其受限制的原因则是在于能够利用的能量转移供受体对较少,所以给科研工作者的选择就较少。因此我们就抱着这样的想法来尝试寻找新的能量转移供受体对。Q:在研究中过程中遇到的最大挑战在哪里?A:最大的挑战在于如何提高该检测方法的灵敏度。我们希望将更多的罗丹明内酰胺分子负载到金纳米颗粒表面周围,使其能够与之发生能量转移。在这一过程中,我们经过了很多尝试,最终采用了介孔硅包被的金纳米颗粒。X-MOL分析领域学术讨论QQ群(292125992)

银纳米结构带间吸收增强半胱氨酸分子表面组装螺旋构象的光学活性

亚波长的贵金属纳米结构因其具有局域表面等离激元共振效应而被广泛用于纳米生化传感器,可以探测分子间的结合、催化反应过程、相变过程和氢吸附动力学等。除了支持局域表面等离激元共振效应,贵金属材料比如金和银本身也有很强的本征带间吸收。这些带间吸收是由光致激发带间跃迁所致,主要集中在紫外光谱区间。最近,香港理工大学的雷党愿(点击查看介绍)教授(通讯作者)团队通过能量共振匹配原理,利用贵金属带间跃迁的能量来加速在其表面吸附的半胱氨酸分子的电子跃迁,从而放大氨基酸分子对圆偏振光的吸收差异,增加整个系统的光学活性。半胱氨酸分子是一种典型的蛋白原氨基酸,因其在生物系统中扮演的重要角色而被广泛研究。比如,血液中半胱氨酸的浓度是检测多种疾病的重要指标。半胱氨酸浓度异常会引发阿尔茨海默病、心血管疾病、肝脏损伤和皮肤感染等。然而,许多生物分子包括半胱氨酸,他们的圆二色谱(circular dichroism, CD)信号通常非常微弱,导致低浓度探测比较困难。为了解决这个问题,香港理工大学团队将半胱氨酸分子吸附在金-银核壳纳米结构表面,他们观察到在银的紫外带间跃迁光谱区域出现了一个非寻常的手性吸收共振峰(既不在半胱氨酸分子本身的CD吸收峰处,也不在金-银核壳结构的局域表面等离激元共振峰处),其强度比相同浓度的纯氨基酸分子高出170倍左右。系统的实验以及理论研究表明,这个新出现的极强的CD峰有可能是两个相邻的半胱氨酸分子在银的表面通过氢键将氨基和羧基自组装,形成一种新的扩展螺旋网络结构,从而将分子本身的CD峰波长从200 nm红移到300 nm附近,进而通过库伦耦合被银的带间吸收和纳米结构表面的电磁场增强放大。这篇工作所阐述的机理不同于以往报道的有机物分子和金属离子形成聚合物所产生的紫外区间CD,也和贵金属纳米结构等离激元共振诱导的可见光CD不一样。它揭示了用贵金属纳米结构对有机物分子构型进行立体识别的可能性,指出了手性分子和贵金属表面之间相互作用对促进氨基酸等有机物分子界面组装的重要性,从而提供了一种用贵金属纳米结构制备立体化学纳米传感器的可选途径。这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上,文章的第一作者是香港理工大学的博士生鲍智勇。该论文作者为:Zhi Yong Bao, Wei Zhang, Yong-Liang Zhang, Jijun He, Jiyan Dai, Chi-Tung Yeung, Ga-Lai Law, and Dang Yuan Lei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):Interband Absorption Enhanced Optical Activity in Discrete Au@Ag Core–Shell Nanocuboids:Probing Extended Helical Conformation of Chemisorbed CysteineMoleculesAngew. Chem. Int. Ed., 2017, DOI: 10.1002/anie.201607563导师介绍雷党愿http://www.x-mol.com/university/faculty/39461 X-MOL分析领域学术讨论QQ群(292125992)

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