基于空间组装的无酶核酸分子放大线路用于普适性差量信号输出

近年来,精准医疗引起了越来越多的关注,现场即时检测也随之成为科学研究的热点。便携式检测手段是科技进步的产物,同时也将是社会高度便携化向诊断和分析领域延伸而产生的必然需求。然而对于疾病检测来说,假阳性结果一直是困扰众多科学家的一大难题。那么,有无一种简单的方法可以避免或是及时排除检测中的假阳性结果,解决假阳性误诊的问题呢?近日,中科院长春应化所的李冰凌(点击查看介绍)团队通过基于空间组装的方法来实现核酸分子线路的开关调控,利用差量法,提出了一种更加准确可靠的信号采集和处理方式。近年来,分子计算领域的进步带动产生了一系列基于链置换反应的新型无酶核酸扩增反应。其中热门之一的双发卡核酸催化组装技术(CHA)以线性寡聚核酸为催化剂和输入,可在几小时内将核酸分子放大102-106倍,被作为新一代的信号放大器和传导器广泛应用于多种分析检测平台。李冰凌团队在前期工作中证明除了线性寡聚核酸,两个因组装行为而无限靠近的基因片段,也可以作为催化剂,引发CHA反应。在最新进展中,她们将这个新发现与另外一个链置换反应(OSD)进行偶联,可用同一套设计精良的CHA输出线路检测出不同的待测输入,不再需要根据不同的待测序列重新设计和优化CHA线路,极大地降低了实验成本和设计难度。这种新方法还具有尤为灵活的拓展性,可根据实际需要添加另一套“辅助CHA反应”,进而改良为一增一减的“差量信号(deviation-metric signal)”:既针对一种靶标两套CHA反应可分别提供一增一减两种“互为镜像”的信号输出。具体操作也较为灵活,可采用一种荧光探针,在两个试管中分别读取增信号和减信号;或者将两套CHA分别标记不同发射波段的荧光探针,在同一反应体系即可同时读取增信号和减信号。这样的“增-和-减”信号设计被简称为“SORS-CHA”,能有效规避频繁出现的“荧光强度向单方向(增或减)漂移所引起的非特异性假像信号”,从而大幅度增加信号的可信度。如果采用增-减信号的差值(即绝对值加和)为定量指标,还能进一步增强信号的分辨率。“SORS-CHA”方法还可与等温扩增反应LAMP联合使用,实现对现实环境中痕量基因的序列检测。研究中主要以埃博拉病毒序列为例。通过核酸扩增反应与信号放大方法连用可实现对单个目标基因的1010-1012倍的放大。再加上一增一减的荧光信号输出方式,解决了在信号采集过程中读数误差以及仪器自身的光漂白现象引起的数据不准,同时也能够避免出现假阳性结果。该方法目前可达到的检测限为20个埃博拉基因分子。鉴于该方法的通用性和准确性,能够有效的优化以核酸为基础的疾病检测手段,同时结合核酸扩增方法有望应用于现实的疾病监测中,从而服务于精准医疗的发展。这一成果近期发表在《Chemical Communications》上,文章的第一作者是中国科学院长春应用化学研究所博士研究生唐艺丹和祝振童。该论文作者为:Yidan Tang, Zhentong Zhu, Baiyang Lu, Bingling Li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):Spatial organization based reciprocal switching of enzyme-free nucleic acid circuitsChem.Commun., 2016, 52, 13043-13046, DOI: 10.1039/c6cc07153h李冰凌研究员简介李冰凌,中国科学院长春应用化学研究所电分析化学国家重点实验室研究员,博士生导师,2016年入选第十二批年国家青年千人计划(已公示)。李冰凌研究员2010年毕业于中国科学院长春应用化学研究所董绍俊院士课题,同年加入美国德州大学奥斯汀分校Andrew D. Ellington教授课题组进行博士后研究。2015年加入中国科学院长春应用化学研究所电分析化学国家重点实验室。李冰凌研究员主要从事功能化核酸分子的热、动力学基础研究和便携化分析应用研究,并取得一些原创性成果,近五年尤具代表性的是创新性设计“零背景”“双发卡自组装催化组装技术”,并证明其可作为“万能无酶”信号放大传导元件,应用到单点变异绝对识别和超灵敏基因诊断等多项实际生物分析。至今,在国际知名专业期刊共发表SCI论文48篇,例如:Nucleic Acid Res.、J. Am. Chem. Soc.、Acc. Chem. Res.总引超过2200次;H-Index 27,并申请专利1项。2015年“与现有便携POCT产品结合的普适性生物(含病原体)基因诊断试剂盒”项目获得长春“中科创客”创业创新大赛银奖。2015年获批国家自然科学基金青年项目和吉林省自然科学基金各一项。2016入选第十二批年国家青年千人计划。http://www.x-mol.com/university/faculty/35080 X-MOL分析领域学术讨论QQ群(292125992)

用于Aβ斑块探测的近红外/切伦科夫双模态光学成像探针

随着社会老龄化进一步加剧,我国阿尔兹海默症(Alzheimer’s Disease,AD)患者的人数也在持续攀升,将给家庭和社会带来巨大负担。根据β淀粉样级联假说,在脑内聚集于细胞外的Aβ斑块是造成AD发病的主要因素。因此,针对AD的这一重要病理特征,研究靶向于Aβ斑块的显像剂对AD 的早期诊断和治疗效果的检测都具有重要意义。目前,正电子发射计算机断层显像(positron emission tomography, PET)的放射性探针已经应用于AD的临床诊断,但是PET成像设备昂贵,信号获取速度慢,从而限制了其在临床前研究和抗AD药物开发等方面的广泛应用。近红外荧光成像具有简单易行、费用低廉和实时成像等优点,因此可以广泛应用于小动物活体成像,为药物筛选和探针的临床前研究提供便捷的方法。此外,切伦科夫成像是基于切伦科夫辐射的光学成像,不需要激发光,可以利用常见的光学成像系统对β辐射的核素(例如18F,90Y)进行快速成像,为PET探针的临床前研究提供了快捷的方法。近红外成像与切伦科夫成像联合应用,可以进一步推进光学成像的广泛应用。图1. FDANIR 4c的的结构;4c或[18F]4c可以用于转基因小鼠(APPswe/PSEN1,22月龄,雌性)和正常对照组小鼠活体的近红外荧光成像和切伦科夫成像。近日,北京师范大学的崔孟超(点击查看介绍)团队报道了含氟化合物FDANIR 4c(图1),用于脑内Aβ斑块的近红外成像;该化合物用18F标记后进行了切伦科夫成像。探针4c在PBS缓冲液中激发和发射波长分别为589 nm和771 nm;在二氯甲烷溶液中的荧光量子产率为28.7%。与Aβ蛋白聚集体结合后荧光强度增加560倍,发射波长发生明显蓝移(从771 nm到666 nm),因此该探针对Aβ聚集体探测灵敏度高。体外荧光染色和体外自显影表明,4c和[18F]4c均能够清晰地选择性地染色转基因小鼠以及AD病人脑切片上的Aβ斑块;此外,活性实验表明4c对Aβ聚集体表现出很高的活性(Kd = 3.8 nM)。进脑量测定表明,4c和[18F]4c均能够有效的穿过血脑屏障。探针4c在近红外活体成像中能够有效地区分转基因小鼠和正常小鼠,[18F]4c在小鼠的活体切伦科夫成像结果显示,转基因小鼠与对照组小鼠的切伦科夫光信号差别不大,结果只能部分地与近红外成像结果相匹配,这可能是由于[18F]4c的切伦科夫光主要在蓝绿光区,不能很好地透过生物组织;另外,切伦科夫光波与探针4c的激发波长也不够匹配。图2. (A)和(B)分别为4c在转基因小鼠和AD病人脑切片上对Aβ斑块的染色。(C)和(D)分别为[18F]4c在转基因小鼠和AD病人脑切片上的体外自显影结果。(E)和(F)分别为4c在近红外荧光成像和[18F]4c在切伦科夫成像中信号的脑清除曲线。近期,利用切伦科夫共振能量转移(Cerenkov resonance energy transfer,CRET)可以将切伦科夫光信号红移至近红外光区,一般是借助于量子点进行。但是量子点不能穿过血脑屏障,脑部成像需要小分子的参与,因此,探索基于小分子的CRET对联合近红外荧光成像和切伦科夫成像具有重要意义,这一工作为进一步的探索奠定了基础。这一成果近期发表在《Chemical Communications》上。该论文作者为:Hualong Fu, Cheng Peng, Zhigang Liang, Jiapei Dai, Boli Liu, Mengchao Cui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):In vivo near-infrared and Cerenkov luminescence imaging of amyloid-β deposits in the brain: a fluorinated small molecule used for dual-modality imagingChem. Commun., 2016, 52, 12745-12748, DOI: 10.1039/C6CC06995A该课题组近期报道的其他相关文章还包括1. Anal. Chem., 2016, 88, 1944−19502. J. Med. Chem., 2015, 58, 6972−69833. Chem. Commun., 2015, 51, 116654. Chem. Commun., 2014, 50, 11875崔孟超博士简介崔孟超,北京师范大学化学学院副教授,放射性药物教育部重点实验室副主任。2011年于北京师范大学取得博士学位,2009年至2011年在日本京都大学药学研究科博士联合培养,2011年8月起就职于北京师范大学。研究领域是面向疾病早期诊断的放射性药物研究与开发。在相关领域发表SCI论文50余篇,包括以第一或通讯作者发表在J. Am. Chem. Soc.、Chem.Comm.、J. Med. Chem.等杂志上。获授权发明专利3项,2012年北京市优秀博士论文奖,2014年获核医学领域重要奖项——肖伦青年科技奖。http://www.x-mol.com/university/faculty/8987http://www.chem.bnu.edu.cn/szll/jsdw/fsxywhxx1/fjs6/121119.htmlX-MOL分析领域学术讨论QQ群(292125992)

玩具?不,这是成本仅20美分的高效离心机

想象一下20美分,也就是不到1.5元,能给实验室买点啥?买几张滤纸?还是买点氯化钠配饱和食盐水?好像啥都干不了!美国斯坦福大学的助理教授Manu Prakash(点击查看介绍)领衔的团队最近在最新面世的Nature子刊——Nature Biomedical Engineering上发表文章表示,如果给他们20美分,他们或许可以给你一个离心机!离心机!离心机!还是一个不需插电、谁都可以操作、转速高达125,000 rpm、离心力达30,000 g的离心机!据称是史上人力产生的最大转速!这个由纸和线构成的离心机,长这样:图片来源:Science News看起来是不是很眼熟?想起了小时候玩过的玩具?不过,这可真不是玩具,Prakash等人发明的这个小玩意,别看它十分简易,但是它确确实实是一台高效的离心机,可以在不到1.5分钟的时间内将血浆和血细胞分离开。纸质离心机和血液分离实验。图片来源:Nat. Biomed. Eng.众所周知,血液检测是疾病诊断的基本手段,而使用离心机除去细胞碎片等对诊断疟疾、艾滋病、肺结核等低水平感染疾病的分子检测结果的准确性和可靠性至关重要。离心机在工作过程中可以通过高速旋转产生的离心力让血液中的各成分根据密度分层,其中血细胞在最下层,血浆在上层,而致病细菌、寄生虫等位于中间。但是通常我们使用的离心机都比较昂贵、需要用电、不便携带,对那些欠发达地区的医院和医生们来说,往往没办法使用这些离心机,这给疾病的诊断带来了严重障碍。因此迫切需要廉价、无需用电、高转速的便携式离心机去改善这些地区的疾病诊断状况。尽管此前已经有一些人力离心机,但是转速都不够快,难以进行血浆的快速分离。Prakash教授2008年毕业于MIT,获得应用物理学博士学位,现在的研究方向为物理生物学。他致力于利用物理学理论及实验技术解决细胞及分子水平的生物学问题,同时也一直在积极开发新技术解决偏远贫穷地区的一些重要医疗卫生问题。在发现一些地区没办法使用离心机之后,他将目标瞄准了这个迫切而棘手的问题。Manu Prakash博士。图片来源:Stanford University为了解决这个问题,Manu Prakash教授可谓是煞费苦心。为了开发出人力离心机,他曾研究了十余种旋转玩具,采用高速照相机去检测它们的旋转速度,结果发现转速都达不到要求。有一天他突然想到了小时候玩过的“转扣子”,由于好奇,他也使用高速照相机记录下了扣子的转动过程,没想到扣子的转速很高,很有可能满足人力离心机的要求。嗯,开挂的实验从此开始!类似“转扣子”的古代玩具。图片来源:Nat. Biomed. Eng.通过调研,他发现尽管这个古老的玩具拥有5000多年历史,但是却没有人知道它的工作原理,于是他带领他的团队尝试用数学模型去揭示“转扣子”的工作原理。通过模型,他们发现将绳子拧成螺旋状储存能量是转扣子高速转动的关键因素。“在这种情况,绳子在轻微外力的作用下会不断解螺旋再螺旋,其中最重要的就是超螺旋结构。”Prakash博士解释道:“就是这种超螺旋让它的转速远超其几何极限。”随后,他们花了近6个月的时间对这种离心机进行了优化,最终得到转速可达125,000 rpm(离心力达30,000 g)的纸质离心机,其转速甚至超过了不少商用离心机。绳子的螺旋和超螺旋。图片来源:Nat. Biomed. Eng.另外,这一策略对其他材质也通用,例如木材、塑料等等。通过成熟廉价的技术,可以使用聚合物制造类似的纯人力离心机,一样可以用来分离血液。塑料制人力离心机,以及微流装置与纸质离心机配合使用。图片来源:Nat. Biomed. Eng.“就结果而言,这个发明相当漂亮。”波士顿大学的生物医学工程师Muhammad Zaman对这项研究赞誉有加,“这项研究给我的印象非常深刻,不仅因为它的理论及模拟十分严谨,而且还因为它具有非常广阔的应用前景。”但是他认为人们可能不一定信任这种新技术,尽管已经证明这一设备可以帮助从血样中镜检疟原虫,“人们也许会认为这种纸做的离心机不可靠,比不上那些花费上千美元的高级离心机。”而Prakash博士正在为消除人们的疑虑而努力,他已于近期与一个叫做Pivot的非盈利健康服务机构签署协议,将于3月开始在马达加斯加岛的一个乡村进行临床试验。“我猜马达加斯加90%的实验室都没有可用的离心机,”Pivot的联席CEO兼哈佛大学健康经济学家Matthew Bonds说道,“如果真的有效,它将带来革命。”视频来源:Science News—— 总结 ——这项来源于生活最终将回归到生活的发明,或许将带来大变革,在欠发达地区取代电驱动离心机,为疾病诊断带来极大的方便,为这些无法享受当代科学技术的人们带去机会和希望!笔者此前从未想到还有不需要电的离心机!但是当看到这个发明之时,不得不惊叹于作者的脑洞!或许我们并不是缺少创造力,而是缺少启发创造力所需的眼睛!创新往往来自于生活、大自然,不要放弃身边的一草一木,兴许一篇Nature子刊就藏在你的书桌旁!赶紧想想童年还有啥玩具可能用到科研上?部分编译自:http://www.sciencemag.org/news/2017/01/20-cent-paper-pinwheel-could-transform-medicine-developing-worldManu Prakash教授主页:https://profiles.stanford.edu/manu-prakash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):Hand-powered ultralow-cost paper centrifugeNat. Biomed. Eng., 2017, 1, 0009, DOI: 10.1038/s41551-016-0009(本文由瀚海供稿)

Chemical Science: 酶特异性探针底物研发新策略

近日,中科院大连化学物理研究所杨凌团队探索出酶特异性探针底物的研发新策略,该团队采用计算机辅助筛选及酶催化位点局部改造的策略成功设计研发了首个细胞色素P450 1A1亚酶的高特异性荧光探针底物。相关研究成果在线发表在Chemical Science (DOI: 10.1039/C6SC03970G)。论文第一作者为博士生戴子茹及冯磊(联合培养),论文通讯作者为葛广波(点击查看介绍)及杨凌研究员(点击查看介绍)。人体组织和细胞中分布了约两万种蛋白质,但绝大多数蛋白(~72%)都存在氨基酸序列和结构极其相似的亚型。酶是生物体内分布的具有催化活性的一类蛋白质。人体内分布了数千种酶,其可催化6000余种生化反应并在内源性代谢和外源物代谢处置中发挥着至关重要的作用。酶表达和功能上的异常往往与机体生理和病理过程密切相关,因此准确表征复杂生物体系中目标酶的表达和功能对于病理生理学及生物医学基础研究、疾病诊断及转化医学等应用研究意义重大。代谢酶特异性探针底物可专一实时地反映生理条件下目标酶的活性,是生物医药领域评价酶催化功能的常用工具。然而,由于同一家族中多个亚型酶间往往具有相似的结构和高度重叠的底物谱,很难发现亚型特异性的探针底物进而实现相似亚型酶间的区分。因此,设计开发亚型特异性的探针底物一直是生物医药领域长期面临的一大挑战。本研究中,研发人员选择细胞色素P450 1A (CYP1A) 家族为研究对象,基于CYP1A1与CYP1A2在催化活性空腔上的微小差别,采用酶催化位点局部改造的策略,借助计算机辅助筛选及代谢表型筛选设计研发了首个CYP1A1亚型选择性的荧光探针底物。该探针对目标酶具有极高的特异性,不仅可实现CYP1A1与CYP1A2等相似亚型酶间的区分,同时其也不被人体分布的其它细胞色素P450酶催化。该探针底物不仅适用于单酶、细胞及组织等不同生物体系中CYP1A1酶活的实时定量检测及CYP1A1抑制剂的高通量筛选与评价,还可用于活细胞及活组织中CYP1A1的亚细胞定位及生物成像研究。此外,该探针的设计研发策略还可用于指导其它I相代谢酶特异性探针底物的开发。该研究成果是继杨凌团队2015年提出通过远端改造(在远离催化位点的区域对探针底物进行提高酶亲和力和特异性的改造)策略研发酶特异性探针底物(J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 14488-14495)之后的又一代表性工作。上述研究工作得到了国家自然科学基金项目、973计划及精细化工国家重点实验室的支持。(文/图 戴子茹)该论文作者为:Zi-ru Dai, Lei Feng, Qiang Jin, Hai-Ling Cheng, Yan Li, Jing Ning, Yang Yu, Guang-Bo Ge, JN Cui, Ling Yang 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 practical strategy to design and develop an isoform-specific fluorescent probe for a target enzyme: CYP1A1 as a case studyChem. Sci., 2016, DOI: 10.1039/C6SC03970G导师介绍杨凌http://www.x-mol.com/university/faculty/22766 葛广波http://www.x-mol.com/university/faculty/26805 X-MOL分析领域学术讨论QQ群(292125992)

部花青染料与探针的爱恨情仇:探秘部花青染料在生物分析中的水解现象

部花青染料已被广泛用于构建探针,用于生物领域相关的分析检测。然而,其独特的结构特征使得该类小分子极易受到水中OH-的进攻,发生水解。这势必会响应其在实际分析检测中结果的准确性。因此,解析影响部花青类小分子水解的机制尤其是在生物分析中的水解影响因素具有非常重要的指导意义。一方面,熟悉其水解的机制有利于我们合理设计分子,增强其稳定性。另一方面,也有助于我们优化分析测试体系,尽可能的避免水解产生的干扰。然而,部花青染料的稳定性的研究尤其在生物环境中的稳定性的研究鲜有报道。在国家自然科学基金的支持下,近期中南大学化学化工学院邓留、刘又年(点击查看介绍)课题组的博士研究生王立强、郝元强等发表论文,系统讨论了部花青的水解机制及影响因素。结果表明,分子结构及其所处的化学环境均会对其稳定性产生影响。进一步研究表明,经典的ICT探针构建策略会加速部花青类探针的水解速度。这些研究结果为如何合理设计部花青类探针,优化分析检测环境从而降低部花青在使用时的水解提供了指导。该工作发表在Anal. Chem.(Anal. Chem., 2016, 88, 9136-142, DOI: 10.1021/acs.analchem.6b02113)。该论文作者为:Liqiang Wang, Yuanqiang Hao, Jianhan Huang, Yonghui He, Ke Zeng, Juan Li, Johnny Muya Chabu, Wansong Chen, Minghui Yang, Liu Deng*, and You-Nian Liu*原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面):http://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.analchem.6b02113Unraveling the Hydrolysis of Merocyanine-Based Probes in Biological AssayAnal. Chem., 2016, 88, 9136-142, DOI: 10.1021/acs.analchem.6b02113导师介绍刘又年教授http://www.x-mol.com/university/faculty/15182X-MOL分析领域学术讨论QQ群(292125992)

新型肿瘤精确定位荧光探针分子

恶性肿瘤严重威胁人类健康,肿瘤的精确定位对早期诊断筛查及后期治疗控制至关重要。肿瘤组织的细胞微环境较正常组织明显偏酸性,成为区分鉴别肿瘤的重要特征。然而,真正满足活体肿瘤成像需求的pH响应型近红外荧光探针却十分稀少。近期,广西师范大学曾明华(点击查看介绍)与华东理工大学黄瑾(点击查看介绍)的联合团队,在pH响应型可见-近红外荧光探针及其肿瘤在体精确定位研究方面取得重要进展。基于在3d配位分子簇的设计合成、组装过程与机理研究方面的良好积累,他们利用配体溶剂热原位反应构筑了高度耐酸碱,毒性低,具有紫外-近红外多重荧光,且荧光强度pH敏感的五核锌配位分子簇。由于簇核内配体间的强氢键及π-π作用对金属簇核的保护,异于大多数配位分子,该化合物即使在浓盐酸或浓氨水中也十分稳定。在荧光性质方面,该配位分子簇展现出独特的紫外-近红外多重荧光,荧光强度对pH变化有着明显响应。高分辨细胞成像及裸鼠三维活体成像分析表明,该探针分子可敏锐检测细胞内溶酶体微小pH值变化,并可通过监测动物体内pH值的改变,实现对肿瘤组织实时在体精确定位。作为首例基于3d-金属配位分子簇的pH响应型紫外-近红外荧光探针,该工作证明了基于廉价、生物体内丰度高的3d金属设计合成配位分子簇用于生物成像及疾病诊疗的潜力。这一成果近期发表在《Angew. Chem. Int. Ed.》上,文章的通讯作者为广西师范大学曾明华教授及华东理工大学黄瑾教授。该论文作者为:Ming-Hua Zeng,* Zheng Yin, Ze-Hui Liu, Hai-Bing Xu, Ying-Chun Feng, Yue-Qiao Hu, Li-Xian Chang, Yue-Xing Zhang, Jin Huang,* and Mohamedally Kurmoo原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面):http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201604813/fullAssembly of a Highly Stable Luminescent Zn5 Cluster and Application to Bio-ImagingAngew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 11407-11411, DOI: 10.1002/anie.201604813研究团队简介曾明华,广西师范大学化学与药学学院教授,博士生导师。2004年于中山大学取得博士学位,随后开始独立研究工作。国家自然科学基金杰出青年基金获得者。主要从事磁/孔配位簇(聚)合物的晶态-固态-溶液态结构信息相关性、时间依赖的组装过程与机理、结构转换与物化性能效应关系研究。http://www.x-mol.com/university/faculty/9763 黄瑾,华东理工大学药学院教授、博士生导师。2004年于南京大学获博士学位,2004-2006年在St. Jude Children’s Research Hospital结构生物学系进行博士后研究,2006年进入华东理工大学工作。主要研究方向包括:1)肿瘤及免疫性疾病治疗新药物发现及体内外活性评价,2)药物作用新机制挖掘,3)药物筛选新方法开发。作为项目负责人,已完成和正在承担共计10余项国家和省部课题,包括国家自然科学委、教育部、上海市教委和科委等研究计划。作为通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed.、J. Med. Chem.、J. Biol. Chem.等国内外重要期刊发表学术论文90余篇。http://www.x-mol.com/university/faculty/17793 X-MOL分析领域学术讨论QQ群(292125992)

单颗粒光学显微成像研究

近来,功能纳米材料由于其优异的光、电等特性引起了物理学、化学和生物学等领域研究人员的广泛关注。最近,湖南师范大学肖乐辉教授(点击查看介绍)团队围绕贵金属纳米颗粒,在单颗粒显微成像方面取得了一系列研究进展:利用全内反射显微成像技术,研究了金纳米棒在固/液界面的三维旋转行为;基于暗场散射成像技术,实时跟踪了不同密度穿膜肽修饰金纳米颗粒在磷脂膜上的跳跃式迁移行为;探索了纳米共沉淀法交联的荧光聚合物点与包裹有二氧化硅的金纳米棒的荧光、暗场双模态成像能力;以金、银纳米颗粒为探针,基于单颗粒散射强度对血样中癌症标志物进行了定量测定。相关成果相继在美国化学会《分析化学》期刊发表。(一)金纳米棒在固/液界面的三维旋转行为研究许多重要的生物、物理学过程与目标物的运动规律密切相关,如病毒侵染细胞的过程。然而,除了目标物的平动位移信息,其关联过程中的空间转动信息也同样重要。肖教授团队以激光全内反射显微技术为平台,通过加入偏振片,将接近纳米棒长轴振动波长的偏振态激光以一定的角度照射于固/液界面,通过对单个粒子散射斑的拍摄进而实现对各向异性等离子体纳米颗粒空间取向准确测定。该方法不需要复杂的焦平面校正及光路调节,只需改变入射光的偏振方向,就可以获得包含有金纳米棒角度信息的相关衍射图纹。因此,该方法可以广泛用于生物学、物理学等研究领域。这一成果近期发表在Anal. Chem., 2016, 88, 1995-1999。该论文作者为:Lin Wei, Jianghong Xu, Zhongju Ye, Xupeng Zhu, Meile Zhong, Wenjuan Luo, Bo Chen, Huigao Duan, Quanhui Liu, Lehui Xiao原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面):http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.analchem.5b04695Orientational Imaging of a Single Gold Nanorod at the Liquid/Solid Interface with Polarized Evanescent Field IlluminationAnal. Chem., 2016, 88, 1995-1999, DOI: 10.1021/acs.analchem.5b04695(二)穿膜肽修饰的金纳米颗粒在磷脂膜上的跳跃式迁移行为研究在单颗粒水平上研究其在磷脂膜上扩散迁移规律,有助于药物传输体系中对功能纳米载体颗粒的科学合理设计。肖教授团队利用暗场显微成像技术,研究了不同浓度穿膜肽修饰的金纳米颗粒在磷脂膜上的迁移行为。研究发现,不同浓度穿膜肽修饰的金纳米颗粒与磷脂膜相互作用的强弱不同。在一定条件下可将纳米颗粒限制于二维平面,但纳米颗粒仍然可以发生平动迁移。不同于传统的随机扩散和完全受限行为,其在界面处呈现跳跃式迁移。步长的非高斯分布也再次证明了颗粒的非自由扩散。该跳跃式的迁移有助于纳米颗粒在磷脂膜上以高效的方式寻找合适的强作用位点,譬如可促进胞吞过程的发生。这一成果近期发表在Anal. Chem., 2016, 88, 11973-11977。该论文作者为:Lin Wei, Zhongju Ye, Yueling Xu, Bo Chen, Edward S. Yeung, Lehui Xiao原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面):http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.analchem.6b03420Single Particle Tracking of Peptides-Modified Nanocargo on Lipid Membrane Revealing Bulk-Mediated DiffusionAnal. Chem., 2016, 88, 11973-11977, DOI: 10.1021/acs.analchem.6b03420(三)荧光/暗场双模态显微成像探针的制备荧光显微成像技术由于其光谱特异分辨能力,是目前众多研究领域最为常用的研究手段。许多有意义的动力学过程可通过荧光探针标记,在单颗粒、单分子层面直接观察。然而,常规的荧光分子通常具有光闪烁、光漂白等局限,使得其不宜用于长时间观察某些重要的动态过程。在散射模式下对等离子共振纳米颗粒显微成像可有效克服上述局限。肖教授团队利用荧光聚合物与包裹有二氧化硅的金纳米棒进行交联,可实现荧光/暗场双模态单颗粒成像。研究发现,荧光聚合物与金纳米棒交联后的荧光强度增强了约两倍。实时、原位的金纳米棒腐蚀实验也进一步在单颗粒水平上证明了这一结论。除了荧光增强效应,荧光稳定性也有提高。这种自组装的纳米颗粒有着新颖和独特的光学特性,在药物运输、生物标记、单颗粒追踪方面都有着较好的应用前景。这一成果近期发表在Anal. Chem., 2016, 88, 6827-6835。该论文作者为:Wenjuan Luo, Ming Wu, Shuang Li, Yueling Xu, Zhongju Ye, Lin Wei, Bo Chen, Qing-Hua Xu, Lehui Xiao原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面):http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.analchem.6b01350Nanoprecipitation of Fluorescent Conjugated Polymer onto the Surface of Plasmonic Nanoparticle for Fluorescence/Dark-Field Dual-Modality Single Particle ImagingAnal. Chem., 2016, 88, 6827-6835, DOI: 10.1021/acs.analchem.6b01350(四)基于等离子共振纳米颗粒的癌症标志物定量分析癌症的早期诊断对肿瘤的治疗起着关键的作用。肖教授团队探索了一种不需要样本预处理的癌症标志物定量检测方法。该方法基于两种金属纳米颗粒之间的等离子体耦合而引起的散射信号增强来对目标蛋白进行单颗粒水平上的检测分析。首先,目标待测物被固定在微通道内的修饰有抗体的金纳米颗粒所捕获,随后加入抗体修饰的银纳米颗粒,两种纳米颗粒之间由于免疫反应促使等离子耦合效应的产生,从而使金纳米颗粒的散射信号增强。通过暗场显微成像,对颗粒亮度变化进行定量测定从而实现对目标蛋白的分析检测。利用该方法,实现了三种癌症相关的抗原蛋白(CEA、PSA、AFP)分析检测,检测下限分别达到1.7 pM, 3.3 pM 和 5.9 pM,该检测结果与ELISA方法的检测结果相一致。这一成果近期发表在Anal. Chem., 2016, 88, 8849-8856。该论文作者为:Chung-Yan Poon, Lin Wei, Yueling Xu, Bo Chen, Lehui Xiao, Hung-Wing Li原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面):http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.analchem.6b02429Quantification of Cancer Biomarkers in Serum Using Scattering-Based Quantitative Single Particle Intensity Measurement with a Dark-Field MicroscopeAnal. Chem., 2016, 88, 8849-8856, DOI: 10.1021/acs.analchem.6b02429肖乐辉教授简介肖乐辉,男,湖南师范大学教授,博士生导师。2002-2011年在湖南大学分析化学专业获学士-硕士-博士学位,于2008年赴香港浸会大学进行访问研究一年。2011-2012年分别在美国能源部 Ames 实验室以及华盛顿大学进行博士后研究。2012-2016年受聘为湖南师范大学潇湘学者特聘教授。国家自然科学基金委基金评审专家,J. Am. Chem. Soc., Anal. Chem., Chem. Com.等国际学术期刊审稿专家,湖南省省委党校22期中青年专家班学员,湖南省海外留学青年联谊会会员。目前主要从事功能纳米材料的制备及其光物理化学等性能的分析,单分子及单颗粒光谱分析以及单细胞成像分析。曾作为核心成员参与完成多项自然科学基金面上课题。目前主持国家自然科学基金优秀青年科学基金一项,国家自然科学基金青年项目一项,湖南省杰出青年科学基金一项,教育部新世纪优秀人才支持计划一项,曾获教育部博士学术新人奖,霍英东青年教师奖(2016年度),于2014年获选为湖南省创新创业青年培养对象。在Annu. Rev. Anal. Chem., Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., Nanoscale, Anal.Chem., Biomaterials, J. Phy. Chem. C等期刊发表SCI收录论文20余篇。http://www.x-mol.com/university/faculty/10209X-MOL分析领域学术讨论QQ群(292125992)

基于多色荧光检测的微流控装置同时定量测定单细胞内多种小分子

单细胞内多种活性小分子的同时定量检测,既是深入理解生命过程的需要,也是单细胞分析在技术进步过程中面临的一个挑战。在这一方面,基于荧光探针的传感与检测越来越受到人们的关注。特别是微流控芯片电泳与激光诱导荧光检测器的联用,其应用领域可从化学样品扩展到生物样品(如基因、蛋白质及单细胞等),由此产生的方法具有低耗、快速、高效、适合多组分分离与定量分析等优势。但是,由于目前用于微流控芯片的激光诱导荧光检测多是基于单一波长激光激发、单色荧光的检测,难以同时检测单细胞内“不同激发、不同发射”多色标记的多种小分子。针对这一问题,山东师范大学唐波(点击查看介绍)课题组设计了一种基于多色荧光检测的微流控装置(图1)。该装置不仅可以支撑微流控芯片上的单细胞进样、溶膜、电泳分离及胞内组分多色荧光检测等操作,而且这种多色荧光检测具有可见、近红外两种波长激光同时激发,绿色、红色和近红外三色荧光同步检测等功能。图1.多色荧光检测微流控装置的结构原理图.利用该装置,结合课题组合成的荧光探针FS和Cy-3-NO2,发展了一种同时定量测定单个细胞内H2O2、Cys和GSH的分析方法。利用所建方法,进一步研究了急性酒精肝损伤模型中酒精刺激、水飞蓟素保护及本真条件下小鼠原代肝细胞内H2O2、GSH、Cys的含量变化及细胞异质性(图2)。实验表明,该装置具有多参数、检测灵敏度高等优点,将对单细胞代谢组学、小分子之间相互协同与细胞功能调控、氧化应激等领域相关研究具有重要的应用价值。图2:100个小鼠元代肝细胞内H2O2 ,Cys和 GSH的含量分布。绿色为空白组,红色为酒精处理组,蓝色为水飞蓟素保护组。该论文作者为:Qingling Li, Peilin Chen, Yuanyuan Fan, Xu Wang, Kehua Xu, Lu Li,* and Bo Tang* 原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面):http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.analchem.6b01775Multicolor Fluorescence Detection-Based Microfluidic Device for Single-Cell Metabolomics: Simultaneous Quantitation of Multiple Small Molecules in Primary Liver Cells Anal. Chem., 2016, 88, 8610-8616, DOI: 10.1021/acs.analchem.6b01775导师介绍 唐波教授课题组致力于小分子荧光探针设计合成和单细胞分析研究等。具体内容可详见:http://www.x-mol.com/university/faculty/12175http://www.tangb.sdnu.edu.cn/X-MOL分析领域学术讨论QQ群(292125992)

碳纤维变身新型多功能离子化装置

碳纤维(Carbon fiber)是有机纤维材料经碳化、活化制成的一种新型材料,具有独特的物理、化学结构和吸附速率快、容量大、含碳量高、再生容易的特点,是受人瞩目的新型材料。作为最具发展前景的分析技术之一,质谱技术的研究一直在食品、环境、人类健康、药物、国家安全、和其他与分析测试相关的领域有着广泛的应用前景。那么,有无可能将碳纤维这种被认为是新世纪最有发展前景的功能材料用于质谱分析,开创出新型的质谱分析装置和方法呢?近日,中国科学院上海有机化学研究所的郭寅龙(点击查看介绍)课题组依据碳纤维优异的样品兼容性、承载和分散能力和介于金属与非金属之间的导电性,制备了一种高性能、多功能的碳纤维离子化(Carbon fiber ionization, CFI)装置。新型碳纤维离子源的照片和一些典型碳纤维离子化-质谱分析案例目前常用的离子化方法如电喷雾离子化(ESI)、基质辅助激光解吸(MALDI)、大气压化学电离(APCI)等离子化方法仍然存在一些限制,包括待测化合物种类和溶剂的限制,缺少与质谱相连的直接进样接口,以及难以直接分析较大的表面和低极性或非极性溶剂中的化合物。碳纤维离子化可以弥补这些不足:首先,高电压条件下碳纤维有出色的离子传递效率,提高了样品的离子化效率;另外,碳纤维离子化具有良好普适性,尤其适合分析低极性和非极性的热不稳定有机化合物,可以弥补现有离子化技术的局限。同时,该技术在非极性有机相溶液分析上也有出色效能,有潜力实现与正向液相色谱的联用或用于非极性溶剂系统的有机反应研究。碳纤维离子化装置的三种工作模式碳纤维离子化装置集三种工作模式于一体:(a) 离子化探头模式,将样品点样在碳纤维探头,碳纤维探头端加上高压,温和的高效的离子化条件;(b) 连续流动接口模式,可实现在线研究并具备可联用性;(c) 可拆卸采集/分析模式,可拆卸采集待测样品并立刻装回系统后分析。碳纤维离子化装置与超临界流体色谱法联用检测低极性化合物固态物体表面哌替啶、氯胺酮和人体尿液中微量甲基苯丙胺的检测碳纤维离子化技术进行吸烟者呼出气检测碳纤维离子化是一种多功能且普适性强的离子化技术,不仅可以用于微量化合物溶液的快速分析,还可以与色谱联用,以及直接进行固体表面和溶液中化合物的收集和检测。经过科研攻关实现了与超临界流体色谱技术的联用,在呼出气体检测和法医毒物鉴定方面也展现出良好的应用前景。研发碳纤维离子化技术提升了质谱学对解决上述难题的研究能力与水平,并对相关的分析化学、法庭科学和药物检测起到积极的推动作用。碳纤维离子化在质谱分析如脱氢表雄甾酮类的热不稳定分子时,相比于商品化的大气压化学电离源(APCI)和直接分析实时电离源(DART),碳纤维离子源(CFI)温和的操作条件往往使其具有更软的电离效能。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上海有机化学研究所博士研究生吴梦茜,通讯作者是王昊阳副研究员和郭寅龙研究员。该论文作者为:Meng-Xi Wu, Hao-Yang Wang*, Jun-Ting Zhang, and Yin-Long Guo*原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面):http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.analchem.6b02166Multifunctional Carbon Fiber Ionization Mass SpectrometryAnal. Chem., 2016, 88, 9547-9553, DOI: 10.1021/acs.analchem.6b02166导师介绍郭寅龙研究员:http://www.x-mol.com/university/faculty/26824

Lighting Up CO in Living Cells!

注:文末有研究团队简介及本文作者科研思路分析一氧化碳(CO)由于其对血红蛋白的强亲和力而被普遍认为是一种高毒致命的气体分子。由于其无色无味并且难以识别到,CO中毒事件经常发生。尽管CO具有高毒性,近年来科学研究表明,CO可以在生物体内通过人体血红素的分解以及其它一系列代谢活动产生,并发挥着重要的生理或病理作用,是一种重要的气体信号分子。例如,CO在生命体内在对神经系统,包括控制调节神经递质和神经多肽类物质的释放、学习和记忆,以及许多其他神经元的活动上都起到重要的作用。CO还可以通过与血红蛋白结合,预防血红蛋白的氧化和游离血红素的产生。研究还表明,CO(包括CO释放剂CORM)可以作为药物分子,应用于血管舒张、神经传递、抗炎和抗凋亡等众多过程。因此,无论是出于安全因素,还是生命研究的需要,发展新型高效的CO检测方法具有重要意义。近日,华中师范大学化学学院冯国强教授(点击查看介绍)课题组发展了一例新型的CO荧光探针,该探针能够高效、高选择性和高灵敏度地用于活细胞中CO的检测。该成果发表在分析化学领域经典杂志《Analytical Chemistry》上。随着CO研究的深入,发展能在生命体系中检测追踪CO分子的方法显得尤为重要。虽然气相色谱法、显色检测和电化学检测等方法能够实现CO的灵敏检测,但这些方法却不适用于在活细胞以及生物体系中实时检测CO。近年来,荧光探针分子由于其与客体响应时间短、选择性好、灵敏度高而且能方便地用于生命体系进行待测物的实时检测等优点引起了广泛关注。然而,对于CO荧光探针的构建仍处于非常早期的阶段, 而且目前能用于细胞内CO检测的荧光探针报道极少。冯国强课题组利用CO能快速还原Pd2+到Pd0的特性,根据零价钯催化的Tsuji-Trost反应,采用荧光素为荧光母体,烯丙基碳酸酯作为羟基保护基团,构建了一种高效的CO荧光探针。该探针通过CO将二价钯还原成零价钯,零价钯进而和探针分子反应快速脱去保护基,从而释放出荧光素,同时产生明显的颜色变化和强烈的荧光增强信号,达到CO荧光可视化检测。该探针可以在近乎纯水相,非常温和的条件下对CO实现原位检测,选择性好,灵敏度高,检测CO的检测限低至37 nM。更加重要的是,该探针可以低剂量(1 μM)使用,并且可以很方便地应用于活细胞外源性和内源性一氧化碳的荧光成像。这一成果近期发表在《Analytical Chemistry》上,文章的第一作者是华中师范大学硕士研究生凤维勇。该论文作者为:Weiyong Feng, Dandan Liu, Shumin Feng, Guoqiang Feng原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面):http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.analchem.6b03073Readily Available Fluorescent Probe for Carbon Monoxide Imaging in Living Cells, Analytical Chemistry, 2016, 88, 10648-10653, DOI: 10.1021/acs.analchem.6b03073冯国强教授简介2003年6月,毕业于中国科学院化学研究所,获理学博士学位, 师从王梅祥研究员。 2003年9月至2009年1月,先后在英国谢菲尔德大学、英国剑桥大学进行博士后研究。2009年2月至今,华中师范大学化学学院,教授、博士生导师。 研究领域: 磷酸酯的识别与水解、金属模拟酶、动态组合化学、超分子自组装、荧光探针等。近5年来,冯国强课题组研究生在J. Org. Chem., Chem. Commun., Biosens. Bioelectron., Anal. Chem., Analyst, ACS Appl. Mater. Interfaces等国际高水平期刊发表三十余篇论文。 http://www.x-mol.com/university/faculty/10796http://chem.ccnu.edu.cn/info/1057/1160.htm凤维勇(第一作者)简介2011年9月-2015年6月,三峡大学,获学士学位。 2015年9月,华中师范大学化学学院有机化学专业硕士研究生,目前在冯国强教授课题组进行荧光传感器研究。发表论文:[1] Weiyong Feng, Dandan Liu, Qisong Zhai, Guoqiang Feng*. Lighting up carbon monoxide in living cells by a readily available and highly sensitive colorimetric and fluorescent probe. Sensors & Actuators B: Chemical, 2017, 240:625–630.[2] Weiyong Feng, Dandan Liu, Shumin Feng, and Guoqiang Feng*. Readily available fluorescent probe for carbon monoxide imaging in living cells. Analytical chemistry, 2016, 88 (21):10648–10653.[3] Qisong Zhai, Weiyong Feng, Guoqiang Feng*. Rapid detection of hydrazine in almost wholly water solution and in living cells by a new colorimetric and fluorescent turn-on probe. Analytic Methods, 2016, 8 (29), 5832–5837.[4] Shungshuang Ding, Weiyong Feng, Guoqiang Feng*. Rapid and highly selective detection of H2S by nitrobenzofurazan (NBD) ether-based fluorescent probes with an aldehyde group. Sensors & Actuators B: Chemical, 2016, 238:619–625.[5] Meixin Li, Weiyong Feng, Qisong Zhai, Guoqiang Feng*. Selenocysteine detection and bioimaging in living cells by a colorimetric and near-infrared fluorescent turn-on probe with a large stokes shift. Biosensors & Bioelectronics, 2017, 87:894–900.科研思路分析Q:该项研究的设计思路是怎样的?A:首先,我们选择一氧化碳作为研究对象是因为近年来,一氧化碳作为生命体中必不可少的信号分子, 其检测的重要性不言而喻。然而,目前能用于或细胞中CO检测的荧光探针报道非常少。因此,我们在相关文献报道的基础上开展了本课题研究。我们的探针设计思路很简单,即通过零价钯催化的Tsuji-Trost反应,采用荧光素为荧光母体,烯丙基碳酸酯作为羟基保护基团来实现对一氧化碳的检测。值得一提的是,该探针在近乎纯水相和非常温和的条件下,实现了对一氧化碳信号小分子高选择性、高灵敏度的检测。Q:该项研究有何不足之处,如何在接下来的研究中进行改进?A:该研究的不足之处在于探针体系采用的二价钯离子是一种重金属盐类化合物,可能对环境或者生物体系存在潜在的危害。该研究中采用的并不是传统意义上的单一探针,而是二组分探针体系,这给测试工作或者在应用方面添加了不便之处。另外,荧光素虽然存在诸多优点,但是其缺点也不可忽略。例如,荧光素的Stokes位移很小,在生物成像应用中会造成一系列的背景干扰,而且其发射波长短(可见光区),无法满足对生物组织或活体成像的要求。我们正在继续构建更多的CO荧光探针,希望能发展出性能更优异的探针分子。X-MOL分析领域学术讨论QQ群(292125992)

等离子体共振光纤电化学传感技术

光纤传感器具有体积小、灵敏度高、响应速度快、生物兼容性强、可实现远距离遥感等突出优点,成为近二十年来发展最为迅速的传感技术之一。然而,光纤由石英制成(主要成分SiO2),不导电,无法实现生物微电流或微电势检测。为了解决这一瓶颈,暨南大学光子技术研究院郭团教授(点击查看介绍)团队联合广东省生态环境技术研究所袁勇教授和周顺桂教授团队,提出了一种全新的基于光纤探针的等离子体共振电化学检测方法,通过给光纤穿上一层“纳米厚度的金属外衣”,不仅可以使光纤高效率地收集待测生物体释放的自由电子,同时可以利用此纳米金属外衣实现等离子体共振激发,通过光学方式实现高精度电化学检测。该方法区别于传统金属电极的宏观“体电流”测量方式,可实现光纤表面与附着生物体之间亚微米量级范围的局域“面电流”检测,为探索生物分子产电机制和电荷转移过程分析提供新方法。这一成果发表在2016年度《Analytical Chemistry》上(DOI: 10.1021/acs.analchem.6b01314),文章第一作者袁勇教授,通讯作者为郭团教授和周顺桂教授。该论文作者为:Yong Yuan, Tuan Guo*, Xuhui Qiu, Jiahuan Tang, Yunyun Huang, Li Zhuang, Shungui Zhou*, Zhaohui Li, Bai-Ou Guan, Xuming Zhang and Jacques Albert原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面):http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.analchem.6b01314Electrochemical surface Plasmon resonance fiber-optic sensor: in-situ detection of electroactive biofilmsAnal. Chem., 2016, 88, 7609-7616, DOI: 10.1021/acs.analchem.6b01314郭团教授简介郭团,暨南大学教授,博士生导师,广东省首批特支计划“科技创新青年拔尖人才”入选者。主要从事光纤传感、光子器件、生物光子学等领域研究。主持国家、省部及地市级科研项目9项,发表包括Nature Communications在内的SCI论文70余篇(第一/通讯作者SCI论文36篇),SCI他引600余次(第一作者论文SCI总他引400余次);受邀撰写特邀综述论文5篇(第一/通讯作者4篇),著作1部,国际会议做特邀报告20余次,申请国家发明专利12项(已授权3项),设计研制的光纤传感器应用于南方电网输电线路风振监测和中石化常压储罐原油泄漏监测,指导研究生获第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛一等奖。担任国际期刊Journal of Sensors副主编和Sensors客座主编。http://www.x-mol.com/university/faculty/26820

基于荧光标记DNA与聚多巴胺相互作用的抗氧化剂分析方法设计及应用

抗氧化剂是一类能帮助捕获并中和自由基,从而祛除自由基对人体损害的一类物质。不同抗氧化成分在生物体液具有协同相互作用,测量个体的抗氧化成分最常见的策略之一是通过总抗氧化能力来评估自由基-抗氧化剂生物系统的平衡。因此,抗氧化剂的检测对于体内抗氧化防御系统(如脑神经系统)研究起着重要的作用。近日,华东师范大学张闽副教授(点击查看介绍)课题组基于荧光标记DNA与聚多巴胺(PDA)相互作用设计了一种高灵敏度高选择性的检测老鼠脑脊液中抗氧化剂的分析方法,检测限低于17 nM,线性响应范围宽(50 nM-10 μM)。该方法的基本过程如下:染料标记的DNA(供体)与PDA(受体)通过“π-π”堆积作用发生荧光共振能量转移(FRET)使体系荧光发生淬灭(“Off” state)。然而,在抗氧化剂如谷胱甘肽(GSH)、抗坏血酸(AA)、半胱氨酸(Cys)和高半胱氨酸(Hcys)存在的条件下,多巴胺(DA)的自发氧化聚合形成PDA的反应被抑制,染料标记的DNA无法与PDA发生相互作用而使体系的荧光恢复(“On” state)。结合微透析活体取样技术,本方法能够实现对正常/缺血/再灌注一系列处理的大鼠纹状体脑脊液中抗氧化剂的动态变化进行监测。相关研究成果已在Analytical Chemistry杂志上发表,该论文第一作者为15级硕士生马诗诗,通讯作者为张闽副教授。该论文作者为:Shishi Ma, Yan-Xia Qi, Xiao-Qin Jiang, Jie-Qiong Chen, Qiao-Yu Zhou, Guoyue Shi, and Min Zhang原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面):http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.analchem.6b03216Selective and sensitive monitoring of cerebral antioxidants based on the dye-labeled DNA/polydopamine conjugatesAnal. Chem., 2016, 88, 11647-11653, DOI: 10.1021/acs.analchem.6b03216导师介绍张闽副教授http://www.x-mol.com/university/faculty/26815 X-MOL分析领域学术讨论QQ群(292125992)

你是我的眼:NMR在结构确证中的应用策略

核磁共振(NMR)在当今有机化合物结构解析中占有举足轻重的地位。大到复杂天然产物的结构鉴定,小到有机合成产物的结构表征,NMR的身影无处不在。毫不夸张地说,NMR就是有机合成人的眼睛。NMR技术博大精深,每个人掌握的水平也是良莠不齐,可能很多同学对NMR的应用还停留在看看化学位移,数数积分数值的层面上。以ChemDraw结果为标准研判NMR的同学请自行面壁。今天,借用魁北克大学Steven R. LaPlante课题组在Bioorg. Med. Chem. Lett.发表的文章帮大伙擦亮双眼,分享一下各种NMR技术在有机化合物结构解析中的应用策略。作者开篇先举了两个药物研发领域中结构表征错误的例子。2012年,C&EN警告消费者博舒替尼(Bosutinib,1b)的错误异构体1a被在市面上出售,而该异构体是没有活性的。C&EN原文指出这两个化合物的质谱和元素分析是完全一样的,虽然两个化合物氢谱的芳环信号有所差异,但是如果不将这两个化合物对比分析很难发现问题。图片来源:Bioorg. Med. Chem. Lett.另一个例子则是关于诱导肿瘤细胞凋亡的化合物TIC10。这个化合物于1973年和2013年被两个不同的公司申请了专利。随后当Scripps研究所人员在研究这个化合物时发现他们制备的化合物居然没有活性。经过仔细分析后发现,被两个公司先后申请专利的化合物2a没有活性,有活性的化合物是其异构体2b。这个例子也真够对得起BMCL作者给的这个化合物编号,虽然原文作者不是中国人。图片来源:Bioorg. Med. Chem. Lett.咱们接下来就按照原文作者的思路学习一下什么情况下该用什么NMR实验鉴定结构。区域异构(Regioisomerism)有的反应由于不可控性会使得一些官能团以非常规形式连接到另一分子上从而产生区域异构体。这种情况下利用常规的LC-MS和1H NMR是很难进行有效区分的。这时应用HMQC(HSQC)和HMBC两种2D-NMR实验通常可以轻而易举地解决这种问题。如下图所示,作者随手给了一个应用HMBC鉴定区域异构体的例子。图片来源:Bioorg. Med. Chem. Lett.当然,作者也提到了HMBC实验本身的一些不足,比如会有1JH,C和4JH,C信号的干扰,这有时会影响一些化合物的解析。分享一个我个人的经验吧:1JH,C信号结合HSQC谱很容易分辨,所以也有人管这个信号叫QC残留信号。对于4JH,C信号,当用核磁软件读取原始HMBC数据图时可以通过调整切面高度,比较信号强度等手段排除4JH,C信号的干扰。另外,作者认为2D-NMR实验中的ROESY实验在判别区域异构体时也可以作为重要的依据,它可以提供分子内空间距离在5埃之内的氢原子信息。如下图所示,作者又举了一个例子。图片来源:Bioorg. Med. Chem. Lett.同样,作者也提到了ROESY实验的一些缺点,主要是会有一些假信号的干扰。说到这,再跟大伙分享一个自己的实战经验吧:ROESY实验确实方便,一下子能获得分子所有氢原子之间的空间关系。ROESY谱中有相关信号的两个氢原子位置相近这毋庸置疑,但是ROESY谱中没有相关信号的两个氢原子不一定空间距离远。对于这种有疑问的氢原子需要做1D-NOE差谱来最终给出结论。[此处可以有掌声]几何异构(Geometric Isomerism)几何异构体(E/Z)常见于各种含双键化合物当中。通常,大家可以通过双键上两个氢原子的耦合常数进行判断,cis构型的耦合常数大约在3-13 Hz,trans构型的耦合常数大约在12-20 Hz。基础知识稍微扎实点的同学都是知道这些考点的。可是,当双键上的氢原子和其他原子存在耦合时,图谱变得复杂,耦合常数很难准确读出。作者提示咱们,可以尝试选择性去耦氢谱读出耦合常数,具体的例子见下图,蓝色图谱是选择性去耦之后的氢谱。图片来源:Bioorg. Med. Chem. Lett.看完作者举的图,我想到一个简单粗暴方法,换机器呗(混过网吧的同学肯定懂的),400 MHz测的不行就换600 MHz,要不换800 MHz,还有1G的呢,备不住过两年听着更像U盘了,2G、4G、8G,神马都有。旋转异构/阻转异构(Rotamers/Atropisomers)在某些分子中,一些特殊因素可以限制单键的自由旋转或者环的自由翻转,这就产生了旋转异构体或阻转异构体。遇到这种情况,作者提供了常见的解决办法:换溶剂、变温度以及ROESY。作者以三级酰胺的NMR变温实验和ROESY实验为例介绍了这种旋转异构体的NMR信号特点。图片来源:Bioorg. Med. Chem. Lett.N-烷基化和O-烷基化(N- vs. O-Alkylation)当分子中的氮原子和氧原子都可被烷基化时,我们需要对产物的烷基化位点进行分辨。除去之前提到的ROSEY、HBMC或HSQC实验可以用于解析烷基化位点以外,碳谱中的化学位移值也可以很容易地鉴定出产物的烷基化位置。这个简单也常见,咱就不多说了。图片来源:Bioorg. Med. Chem. Lett.立体化学异构体(Stereoisomerism)确定手性分子的绝对构型一直以来都是富有挑战性的。作者也承认X射线单晶衍射技术无疑是最合适的手段,但是ROESY实验在很大程度上能够给出化合物的相对立体构型。作者以化合物9为例,利用ROESY谱相关信号的强弱解析了该化合物的相对立体构型。图片来源:Bioorg. Med. Chem. Lett.文末,作者总结了一个超级实用的表格告诉大家什么情况应该用哪种NMR技术。图片来源:Bioorg. Med. Chem. Lett.绝对的实用干货,适用于大多数有机合成初学者,同学们可以多多转发,拯救更多被NMR困扰的小伙伴们。我们更欢迎各位整日以鉴定结构为业的植化/天然药化大牛们也来分享自己的宝贵经验。最后,本人安利两本书吧,绝对是学习结构解析的经典教材。英语阅读无障碍,喜欢原汁原味的同学请看原著;能够接受翻译版本的同学就看药明康德分析部译的这个中文版吧。图片来自网络原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面):http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960894X16312197NMR Strategies to Support Medicinal Chemistry Workflows for Primary Structure DeterminationBioorg. Med. Chem. Lett., 2016, DOI: 10.1016/j.bmcl.2016.11.066(本文由乐只君子供稿)

基于DNA分子探针的纳米孔传感分析

纳米孔单通道技术是二十世纪九十年代中期在电生理学研究的基础上发展起来的新兴检测手段。纳米孔通常是指孔径尺寸在1-100纳米范围的孔道。当两个充满电解液的相互绝缘的隔室通过纳米级孔道连通,在外加电场作用下,溶液中的电解质离子定向迁移并穿过纳米孔从而产生电流,经膜片钳系统测量、放大和转换后被记录。当溶液中存在待检测物质时,该物质在扩散作用或电压驱动下穿越纳米孔,此时孔道内通过的离子数目由于待测物的占据而产生变化,从而导致记录到的电流发生改变。电流信号包含两个特征量:电流阻滞振幅(amplitude)和电流阻滞时间(dwell time),从中可以推断得出待测物的种类、带电情况、构象变化和分子组成等信息。该技术起初主要应用于DNA分子的测序研究,近年来在其他领域如单分子检测,单分子化学反应及蛋白质折叠研究中也得到了迅猛发展。早期纳米孔单通道技术在分析检测中的应用大多基于两种策略:(i)通过蛋白质突变和化学修饰在纳米孔内部建立传感识别位点;(ii)通过分子适配器来进行辅助检测。近几年来纳米孔领域的科学家进一步丰富了纳米孔的检测策略,不再将DNA分子仅仅作为测序的研究对象,而是将它作为分子探针,通过DNA与待测物结合后产生的构象变化从而导致DNA穿越纳米孔产生的电流信号的变化来实现目标分子的检测。中国科学院高能物理研究所吴海臣研究员(点击查看介绍)团队针对近期纳米孔传感研究中以DNA为探针,通过检测DNA-待测物形成的复合物穿越纳米孔的过程中产生特征电流信号的创新性研究工作做了详细总结。文中总结了六种可用于纳米孔传感检测研究的DNA与待测物之间的相互作用:(1)DNA和RNA的杂交;(2)DNA或RNA的适配体(aptamer);(3)DNA和金属离子作用;(4)DNA与蛋白质的相互作用;(5)修饰抗原分子的DNA折纸(origami)载体;(6)主客体相互作用和DNA适配体相结合。由于DNA探针分子的巧妙利用,其目标检测物范围可涵盖从金属离子,有机小分子到RNA、蛋白质等生物大分子。随着纳米孔技术和DNA传感技术的发展,以DNA分子为探针的纳米孔技术必将在涉及DNA的生物过程中有更广泛和深入的应用前景。该综述近期发表在《Angewandte Chemie International Edition》上,文章的第一作者是高能所的刘蕾副研究员。该论文作者为:Lei Liu, Hai-Chen Wu原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面):http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201604405/abstractDNA-Based Nanopore SensingAngew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 15216-15222, DOI: 10.1002/anie.201604405导师介绍吴海臣研究员http://www.x-mol.com/university/faculty/26807

Biosens. Bioelectron.:DPP-IV检测新方法

近日,中科院大连化学物理研究所葛广波(点击查看介绍)、杨凌(点击查看介绍)团队研发了一种全新的二肽基肽酶-IV(DPP-IV,又称CD26)高特异性荧光探针,并将其用于人血及组织中DPP-IV的活性检测以及活细胞和组织层面的目标酶功能成像研究,相关工作在线发表在生物分析领域著名刊物Biosensors and Bioelectronics上(DOI: 10.1016/j.bios.2016.11.068)。DPP-IV是哺乳动物体内分布的一种重要的丝氨酸水解酶,其参与体内多种生物活性多肽(如肠促胰岛素、神经肽、胃泌素释放肽、生长激素释放激素等)的水解进而导致其部分或完全失活。DPP-IV可快速水解胰高血糖素样肽-1(GLP-1)进而影响胰高血糖素的合成与分泌,因此其在糖代谢过程中扮演重要角色,被认为是2型糖尿病治疗的关键靶点。此外,DPP-IV还参与了机体的免疫调节、细胞移行、细胞黏附和细胞凋亡等过程,其表达/功能的异常与肿瘤等多种疾病的发生发展密切相关。因此,建立适用于复杂生物样品中的DPP-IV活性的高效且实用的检测方法对于糖尿病治疗药物的筛选及临床个性化用药,以及DPP-IV表达/功能异常与疾病的关联性研究等意义重大。本工作中,研究者基于DPP-IV的酶催化特性,设计研发了一种全新的高特异性双光子荧光探针底物GP-BAN,并基于该探针开发了利用微孔板高通量检测复杂生物样本中DPP-IV活性的超灵敏检测方法。该方法具有以下优点:(1)特异性高,可直接用于血样、细胞及组织等复杂生物样品中DPP-IV的检测;(2)操作简单且可实现高通量检测,单位测试成本低;(3)检测灵敏度高(可达皮摩尔级),样品需求量小,如血液样品只需2 μL;(4)可通过比率法进行目标酶的活性检测,抗干扰能力强。利用该探针不仅可实现活细胞及活组织中目标酶的精确定位及实时动态检测,还可以血液为酶源开展DPP-IV抑制剂的高通量筛选与表征。上述工作不仅为新药研发及临床DPP-IV抑制剂的个性化用药提供了强有力的工具,同时也为后续开发商业化的DPP-IV生化检测试剂盒的奠定了工作基础。上述研究工作得到了国家自然科学基金项目和国家重点基础研究发展计划的支持。(文/图 邹立伟)该论文作者为:Li-Wei Zou, Ping Wang, Xing-Kai Qian, Lei Feng, Yang Yu, Dan-Dan Wang, Qiang Jin, Jie Hou, Zhi-Hong Liu, Guang-Bo Ge, Ling Yang原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面):http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S095656631631226XA highly specific ratiometric two-photon fluorescent probe to detect dipeptidyl peptidase IV in plasma and living systemsBiosens. Bioelectron., 2016, 90, 283-289, DOI: 10.1016/j.bios.2016.11.068导师介绍葛广波http://www.x-mol.com/university/faculty/26805杨凌研究员http://www.x-mol.com/university/faculty/22766X-MOL分析领域学术讨论QQ群(292125992)

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