活体光电化学分析新策略：FRET调控光电信号

神经化学物质诸如神经递质、神经调质、代谢物、自由基、离子等在脑神经信号的传递及代谢过程中起着至关重要的作用，在活体层次建立这些生理活性分子的实时、动态监测方法，能够为探索和认识神经生理和病理过程的物质基础提供直接信息。活体原位电化学分析法由于其灵敏度高、选择性好、时空分辨率高等优点，已用于脑内多种化学物质的动态监测。然而，活体环境高度复杂，对目标物质高选择性的检测一直是活体电分析的一大挑战；另一方面，电分析法难以实现对非电活性物质的检测，极大限制了该分析方法的应用。光电化学分析法是电分析化学的一个重要分支，除了具有电分析法的优势以外，其采用光为激发源的特点，减少了施加外部电压对神经元的刺激，具有更好的生物相容性，但同样面临上述电分析方法的难题。

近日，湖北大学刘志洪教授课题组和广州大学韩冬雪教授合作，开发了一种基于荧光共振能量转移（FRET）调控光电化学信号的新方法，实现了光电化学对活体内非电活性物质的高选择检测。

图1. FRET调控光电信号的原理及活体分析应用示意图

该工作以SO₂作为概念验证分子，基于FRET原理设计合成了对SO₂特异性响应的上转换纳米/染料（cSO₂）荧光探针，并将其修饰到负载CdTe量子点/多壁碳纳米管光电复合材料的微电极上，组成光活性微电极。在980 nm近红外光激发下，由于上转换纳米颗粒与cSO₂之间的FRET效应，上转换材料的发光被猝灭，从而难以激发CdTe量子点产生光生电子空穴对，因此只能检测到极微弱的光电流信号；当cSO₂与目标物SO₂特异性反应后，上转换纳米/染料（cSO₂）之间的FRET过程被抑制，上转换纳米发光恢复，从而可激发电极表面的CdTe量子点产生增强的光电流信号。光电流信号的大小受FRET过程调控，并且与目标物浓度相关，从而实现SO₂定量检测。进一步地，他们将这种方法应用于大鼠缺血再灌注和热惊厥模型中脑内SO₂水平的监测，验证了该方法在活体分析中的可行性。

图2. SO₂的光电化学传感验证

图3. 光电化学微传感器用于活体鼠脑中SO₂水平监测

该工作将FRET的高选择性、上转换纳米材料的近红外光激发（980 nm）以及光电分析的高灵敏度、高时空分辨率等优点巧妙地结合起来，提出了一种全新的适用于活体分析的光电化学分析方法，解决了电分析及光电分析在复杂体系中选择性不足且难以检测非电活性分子的关键问题。这项工作为活体、细胞等复杂生物体系的准确分析提供了新的思路。通过对该体系中染料分子及FRET体系的适当设计，该策略可扩展用于多种目标物（电活性或非电活性物质）分析。

这一成果近日发表于Angewandte Chemie International Edition，湖北大学叶晓雪博士和博士生王星为论文第一作者，广州大学韩冬雪教授和湖北大学刘志洪教授为论文通讯作者。

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）：

FRET Modulated Signaling: A Versatile Strategy to Construct Photoelectrochemical Microsensors for in Vivo Analysis

Xiaoxue Ye, Xing Wang, Yao Kong, Mengjiao Dai, Dongxue Han, Zhihong Liu

Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/anie.202101468

导师介绍

刘志洪

https://www.x-mol.com/university/faculty/13598