西安交大葡萄糖识别传感机理论文在《自然-化学》刊发

葡萄糖作为一种主要生理物质影响着人们日常生活的方方面面，因此在各个领域（如医学、环境监测以及食品分析）中寻求一种快速、可靠和廉价的葡萄糖检测方法极其重要。但糖分子因其结构多样性、高溶剂化能等特性，生理条件下对其识别检测极其困难。

继Juyoung Yoon和Tony Czarnik于1992年发表的第一个硼酸荧光系统之后（J. Am. Chem. Soc., 1992, 114, 5874），Tony James和Seiji Shinkai于1994年和1995年共同撰写了一系列论文（J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1994, 477 ; Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1994, 33, 2207; Nature, 1995, 374, 345），利用光诱导电子转移机理（PET），开发了邻苯氨甲基硼酸荧光探针，成功应用于生理条件下糖分子的检测。这项研究在糖的检测方法上引发了一场革命，被大量应用报道，引发国际社会广泛关注。2003年，乔治亚州立大学王炳和教授通过理论计算和实验验证，对上述识别机理提出质疑，随后提出pK_a转换机理（J. Phys. Chem. B, 2003, 107, 12942; Bioorg. Chem., 2004, 32, 571）。2017年Eric V. Anslyn教授又提出聚集-解聚机理（J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 5568）。但以上所有机理论断不能正确或完全解释荧光变化的真正原因。

机理是基础理论研究，对于指导实践至关重要。随后，孙晓龙博士在美国德州大学奥斯汀分校Eric V. Anslyn团队博士后研究工作期间，联合巴斯大学Tony D. James，对四类邻苯氨甲基硼酸荧光探针进行了系统研究，借助于核磁共振技术、晶体结构解析、溶剂效应和质子同位素效应，成功揭示了糖分子识别的新机理为分子内能量转移，否定了光诱导电子转移和pK_a转换机理，为相关研究提供正确的理论指导。以上研究成果发表在Journal of the American Chemical Society期刊上，被美国化学会志选为热点以Demystifying the fluorescence of boronic acid-based sugar sensors为题在Spotlights on Recent JACS Publications上报道。近期，孙晓龙教授联合美国德州大学奥斯汀分校Eric V. Anslyn教授、英国巴斯大学Tony D. James和美国乔治亚州立大学王炳和教授在《自然化学》（Nature Chemistry）上发表文章“The mechanisms of boronate ester formation and fluorescent turn-on in ortho-aminomethylphenylboronic acids”，深入探讨了pK_a的作用机理、化学结构、动力学/热力学和光物理等问题，对过去25年基于邻苯氨甲基硼酸荧光探针检测糖分子机理的研究做了系统性总结，得到编辑及审稿人的高度评价。西安交通大学为第一单位，孙晓龙教授为第一作者。Nature Chemistry（5年影响因子IF: 27.347）是国际权威杂志Nature的子刊，专门发表介绍化学领域最重要的科学发现。

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The mechanisms of boronate ester formation and fluorescent turn-on in ortho-aminomethylphenylboronic acids

Xiaolong Sun, Brette M. Chapin, Pedro Metola, Byron Collins, Binghe Wang, Tony D. James, Eric V. Anslyn

Nat. Chem., 2019, 11, 768-778, DOI: 10.1038/s41557-019-0314-x

团队介绍

西安交大生命学院仿生工程与生物力学研究所（BEBC）围绕“基础理论-生物技术研发-应用推广”学术思想，以科学研究产业化为目标组建的多学科交叉研究中心，通过吸收不同背景的优秀青年人才，促进交叉学科领域的综合性研究工作，着力于解决生物医学工程的基础性研究以及临床医学治疗方案的设计、优化，培养具备跨学科能力的创新型科研人员。BEBC孙晓龙教授长期致力于分子识别和荧光传感领域的研究，针对传感机制不清晰的科学问题和检测灵敏度低、选择性差的技术挑战，基于原子协同效应、级联迭代放大、氧化还原等机理或技术手段，发展了高灵敏、高选择性分子探针，应用于生命体系中目标物的荧光识别检测。研究成果发表于Chem. Rev.、Nat. Chem.、J. Am. Chem. Soc.（2）、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Cent. Sci.、Chem. Sci.（3）等学术期刊上。孙晓龙教授在糖分子识别研究领域的研究成果分别在Chemical Review、Chemical Communications（封面）和ACS Applied Materials & Interfaces上发表，报道了相关研究进展、存在的问题并预测了未来发展前景。

相关论文：

1.Sun, X.; James, T. D.; Anslyn, E. V., Arresting “Loose Bolt” Internal Conversion from −B(OH)₂ Groups is the Mechanism for Emission Turn-On in ortho-Aminomethylphenylboronic Acid-Based Saccharide Sensors. Journal of the American Chemical Society,2018, 140 (6), 2348-2354;

2.Sun, X.; James, T. D., Glucose Sensing in Supramolecular Chemistry. Chemical Reviews, 2015, 115 (15), 8001-8037;

3.Sun, X.; Zhai, W.; Fossey, J. S.; James, T. D., Boronic acids for fluorescence imaging of carbohydrates. Chemical Communications, 2016, 52 (17), 3456-3469;

4.Sun, X.; Zhu, B.; Ji, D. K.; Chen, Q.; He, X. P.; Chen, G. R.; James, T. D., Selective Fluorescence Detection of Monosaccharides Using a Material Composite Formed between Graphene Oxide and Boronate-Based Receptors. ACS Applied Materials & Interfaces, 2014, 6 (13), 10078-82.