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南科大张博团队提出新的染料化学分子设计策略用于核酸/蛋白质可视化快速检测

2024-03-13

近日，南方科技大学生物医学工程系副教授张博课题组在国际著名期刊《德国应用化学》(Angewandte Chemie International Edition)发表题为 “Organic Fluorophores with Large Stokes Shift for the Visualization of Rapid Protein and Nucleic Acid Assays” 的研究论文，共同第一作者为2021级硕士生杨景凯和2022级硕士生徐子屹。该论文报道了一种模块化分子工程染料设计策略，合成了一系列具有大斯托克斯位移、波长可调、兼顾亮度的荧光染料（PTs），实现了肉眼可视的高灵敏度蛋白质与核酸快速分析。此研究成果为染料化学领域提供了新的分子设计策略，也对核酸/蛋白检测体系的快速可视化具有重要意义。

图1.模块化分子工程策略设计大斯托克斯位移荧光染料及其快速可视化核酸/蛋白质检测应用

有机小分子荧光团因其灵活的化学结构和可调节的光学性能，在生物传感、疾病诊断、半导体材料和染料敏化太阳能电池等领域受到广泛关注。迄今为止，人们已经开发出了大量具有优异性能的小分子荧光染料。因为它们通常衍生于一些传统的有机荧光骨架，这些荧光骨架往往表现出较小的斯托克斯位移（最大荧光发射波长与吸收波长间距），如罗丹明、荧光素、二吡咯烷硼、花菁素，或表现出较大的斯托克斯位移但亮度较低，如萘二甲酰亚胺、香豆素。导致染料的信号检测大多需要滤光片和光电设备，限制了它们在简单场景中的应用。

自19世纪末人类合成第一个非天然的小分子荧光染料荧光素后，染料合成就逐渐从试错的过程演变成有规律的分子工程设计。研究团队通过模块化的分子设计，以吩噻嗪和二氧噻吩衍生物作为骨架，合成了一系列具有大斯托克斯位移、波长可调、兼顾亮度的荧光染料（PTs）。PTs染料实现了高达262nm的斯托克斯位移，其摩尔消光系数范围为30,000~100,000 M^-1cm^-1，量子产率可达54.8%。同时探索了PTs的电子能级与光学性质的关系，根据密度泛函理论（DFT），分子砌块的堆积和吸电子基团的引入可以调控HOMO-LUMO间隙。另外，含时密度泛函理论（TDDFT）计算的PTs的电子激发态也与实验数据吻合。

图2. 利用密度泛函理论计算PTs的HOMO-LUMO能级和电子云分布；（a）实验中PTs的LUMO-HOMO能隙与激发波长相关性；（b)PT-1、PT-5、PT-7的LUMO-HOMO和电子云分布。（c)PT-8、PT-10、PT-11、PT-12的LUMOHOMO能量和电子云分布

PTs染料被制成荧光纳米颗粒（PT-NPs）用于侧流免疫层析技术（LFA），单个纳米颗粒中包封的染料小分子数可达10⁵~10⁶个。得益于大的斯托克斯位移，该检测体系无需复杂的设置、发射滤光片和训练有素的操作人员，实现了肉眼可视荧光的SARS-CoV-2的高灵敏抗原检测。与胶体金法相比，灵敏度提高了100倍，检测限低至20 fM，能检测出更多经 RT-PCR 确诊的 SARS-CoV-2 感染临床样本。此外，基于PT-NPs的LFA灵敏度也超过了已报道的使用各种发光材料检测SARS-CoV-2的LFA体系。

图3. 基于PT-NPs的侧流免疫层析技术用于SARS-CoV-2抗原检测；（a）检测体系示意图；（b）本工作与胶体金法灵敏度对比；（c）胶体金法检测曲线；（d）本工作检测体系检测曲线；本工作LFA体系特异性；（f-h）胶体金法与本工作LFA临床检测分析

自2022年5月，猴痘疫情（Mpox）席卷100多个国家和地区，被列为值得关注的“国际公共卫生紧急事件”。研究团队结合环介导等温扩增技术（LAMP），对猴痘病毒基因组保守序列进行筛查，设计了与基于PT-NPs的LFA体系适配的引物结构，实现了猴痘病毒（MPXV）单拷贝水平的快速可视化核酸检测。

图4. 基于PT-NPs的侧流免疫层析技术与LAMP技术结合用于猴痘病毒核酸检测；（a）猴痘病毒核酸检测靶点序列；（b）针对猴痘病毒检测的LAMP引物探针设计；（c）基于PT-NPs 和LAMP的猴痘病毒核酸检测流程示意图；（d）猴痘病毒检测可视化快速检测结果，灵敏度可达单拷贝；（e）检测体系的特异性

本项研究探索了大斯托克斯位移有机荧光染料的分子工程化设计，为染料化学提供了一种有机共轭模块化的设计策略，同时为体外诊断领域提供了新的荧光材料以降低对昂贵光学设备的依赖。

南方科技大学生物医学工程系副教授张博、广州医科大学教授邵攀霖、南方科技大学生物医学工程系研究助理教授刘莹为论文通讯作者，南方科技大学为论文第一单位，合作单位为广州医科大学。以上工作得到了国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、深圳市科技计划项目、广东省先进生物材料重点实验室的支持。

据悉，《德国应用化学》Angewandte Chemie International Edition 是化学领域的权威期刊（IF:16.6)，创刊于1887年，是当今世界上主要的化学期刊之一。该期刊出版范围涵盖了化学研究的各个领域，出版各类型的研究论述，包括综述、小综述、评述、观点、通讯、研究文章，覆盖了整个化学研究领域。

论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202318800