单分子电化学发光成像及其在单细胞研究中的应用

与传统宏观分析方法不同，单分子测量技术能够揭示生物分子的异质性及随机过程，为实现生命科学精细化研究提供新方法。电化学发光成像技术因其近乎为零的背景信号和出色的可控性而被广泛应用于生物样本（如细胞）分析中。然而，发光分子的电化学发光信号通常较弱，难以实现单个分子的电化学发光成像。近日，复旦大学刘宝红团队联合南京大学江德臣团队和法国波尔多大学Sojic团队，基于前期单细胞电化学发光成像的研究基础，开发了高强度电化学发光发射体，成功实现了对单个蛋白分子的可视化分析和定量检测，并应用于单细胞表面抗原成像中。

在这项工作中，首先将钌联吡啶（Ru(bpy)₃²⁺）分子掺杂在二氧化硅纳米粒子（RuDSNs）中；接着将纳米金颗粒（AuNPs）原位还原在RuDSNs表面，得到了RuDSNs/Au电化学发光纳米探针（图1）。该探针在电压作用下，可发射出极强的电化学发光信号。将单个纳米探针与特异性抗体结合，以三丙胺作为共反应剂，首次获得单个蛋白质分子的电化学发光可视化图像。为了验证该实验的可靠性，团队进一步采用单分子荧光测量验证了蛋白质以单分子形态存在，保证了实验数据和结论的真实度。与单分子荧光成像相比，单分子电化学发光成像信号表现出接近于零的背景强度和更高的信噪比，有效改善了单分子成像的数据质量 (如图1B-E所示)。

图1.（A）单个蛋白分子电化学发光成像示意图。（B）电化学发光成像图。（C）电化学发光及背景强度。（D）电化学发光成像信噪比。（E）荧光成像图。（F）荧光及背景强度。（G）荧光成像信噪比。

进一步将所构建纳米探针与细胞表面目标抗原分子结合（图2），实现了单细胞膜抗原分子的电化学发光可视化测量，其成像的信噪比明显高于荧光成像，展现了良好的对比度，有助于在单分子水平上揭示有关细胞膜蛋白的更丰富信息。

图2. 细胞表面蛋白分子的（A）电化学发光、（B）荧光和（C）明场成像图。

这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，文章的第一作者是复旦大学化学系刘玉洁博士。刘宝红教授、江德臣教授和Sojic教授为文章的共同通讯作者。

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）：

Single Biomolecule Imaging by Electrochemiluminescence

Yujie Liu, Hongding Zhang, Binxiao Li, Jianwei Liu, Dechen Jiang*, Baohong Liu*, and Neso Sojic*

J. Am. Chem. Soc., 2021, 143, 17910–17914, DOI: 10.1021/jacs.1c06673

导师介绍

刘宝红

https://www.x-mol.com/university/faculty/9643 

江德臣

https://www.x-mol.com/university/faculty/11521