基于三元调控液/液界面的鼠脑去甲肾上腺素SERS准确定量分析

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

复杂生命系统中神经递质的准确测量，对于深入理解脑生理病理过程的分子机制具有重要意义。作为中枢神经系统中一种重要的神经递质，去甲肾上腺素的浓度失衡和诸多脑疾病，特别是抑郁症、神经焦虑等密切相关。然而，脑中的去甲肾上腺素含量低至纳摩，且其分子结构和多巴胺、肾上腺素等儿茶酚类物质高度相似，导致了鼠脑中去甲肾上腺素分析的选择性和灵敏度仍具有巨大的挑战。表面增强拉曼技术（SERS）因其具有高灵敏、可提供丰富指纹信息的特点，在复杂生命体系分析中具有巨大的优势。但是，SERS信号强烈依赖于基底纳米结构状态，而常规基于固体基底和纳米溶胶的SERS分析常受困于表面不均一、信号误差大等问题，难以实现复杂体系中SERS的准确定量。

针对上述挑战，近日，华东师范大学田阳教授（点击查看介绍）团队设计合成了刚性分子探针，设计、构筑了液/液界面纳米阵列，创建了一种三元调控的液/液界面SERS纳米阵列平台，成功实现了鼠脑中去甲肾上腺素的准确定量分析。

首先，他们设计并合成了RP1和MPBA双探针分子，基于RP1与MPBA分别与去甲肾上腺素氨基醇和邻苯二酚基团的特异性化学反应，建立了一种双探针识别的分析策略，实现了去甲肾上腺素的高选择性测定。与此同时，双探针分子芳香环结构的刚性组装模式，高效控制肾上腺素测定时纳米粒子的间隙，确保了SERS分析的高重现性；其次，将功能化的AuNPs自组装于液/液界面，构筑了均匀分布的功能化纳米阵列，显著提高了SERS测定的灵敏度；再次，通过采用探针分子中的C≡C基团静默区拉曼峰作为信号输出，有效避免了脑中潜在干扰物质的信号串扰，提高了去甲肾上腺素分析的准确性。基于上述三元调控策略，该液/液界面SERS分析平台对去甲肾上腺素呈现了高的选择性，不受脑中肾上腺素和多巴胺等儿茶酚类化合物的干扰，在0.6 nM到40 nM的浓度范围内具有良好的线性关系，检测限低至0.25 nM，实现了脑中去甲肾上腺素的痕量分析。

最后，通过将这一高效的SERS分析平台和微透析技术相结合，率先搭建了微透析体内采样-SERS分析系统，成功追踪了焦虑模型下鼠脑中去甲肾上腺素的含量变化，并且解析了安定药物影响下c-fos和GABA_A蛋白和去甲肾上腺素变化间的依存性。研究发现，焦虑的发生会诱导鼠脑中去甲肾上腺素的明显上升，安定药物可通过有效地抑制c-fos蛋白的表达，降低脑中去甲肾上腺素的浓度。这种新型的液/液界面SERS平台可发展成通用分析方法，拓展到其他神经递质及脑中生物标志物的分析，不但为SERS分析传感的设计提供了新的思路，也推动了SERS分析在脑科学研究中的应用，为脑活体分析提供了新型可靠的分析工具和新方法。

相关研究成果发表在Angewandte Chemie International Edition 上，论文的第一作者为华东师范大学的博士生石璐，共同通讯作者为田阳教授和张立敏教授。

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A Liquid Interfacial SERS Platform on a Nanoparticle Array Stabilized by Rigid Probes for the Quantification of Norepinephrine in Rat Brain Microdialysates

Lu Shi, Mengmeng Liu, Limin Zhang, and Yang Tian

Angew. Chem. Int. Ed., 2022, DOI: 10.1002/anie.202117125

田阳教授简介

华东师范大学特聘教授，博士生导师。田阳教授团队长期从事活体脑电信号的化学表达分析领域研究，在发展脑神经化学分子的精准分析测量策略、建立长时程稳定的高空间分辨脑成像方法、及开拓高速成像分析新仪器等方面开展了深入和系统的工作。相关工作发表科研论文100余篇，包含Sci. Adv.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Anal. Chem等，他引1万余次，获授权中国发明专利8项，2019年入选Elseviver中国高被引学者。曾获国家杰出青年基金资助。获日本化学会“The distinguished lectureship award”，中国分析测试协会一等奖，上海市自然科学奖一等奖；受邀在神经学和神经科学等国际国内做大会、主题或邀请报告40余次。目前担任ChemComm副主编以及《高等学校化学学报》、《Chemical Research in Chinese Universities》副主编。

https://www.x-mol.com/university/faculty/49547    

张立敏教授简介

华东师范大学化学与分子工程学院教授。研究领域是非电活性物质的电化学分析及液/液界面活体分析研究。近年来围绕非电活性物质活体分析时选择性这一关键科学问题，通过筛选或合成特异性探针，构筑功能化界面，发展了一系列脑中非电活性物质的电化学分析新方法。在Angew. Chem. Int. Ed., Acc. Chem. Res., Anal. Chem.等发表系列研究论文，应邀在神经科学类系列英文丛书撰写一章；2018获得了上海市自然科学奖一等奖（第四），2020年获得国家优秀青年科学基金资助。

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：我们课题组率先提出了光生理探针的概念，实现了活体脑细胞外化学分子的SERS定量分析，解析了缺血鼠脑中Cu⁺和Cu²⁺升高的三种新途径。最近，创建了国际上第一台光纤拉曼阵列系统，构筑了基于非金属拉曼增强的线粒体靶向探针，率先实现了线粒体中超氧、pH和钙离子的实时成像和同时分析 (Angew. Chem. Int. Ed. 2022, e202111630; Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 21351-21359; Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 26260-26267; Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 5256–5260; Sci. Adv. 2018, 4, eaau3494)。神经递质作为大脑功能的调节信使，受到了越来越多的关注，其含量的精确测定对研究其生理病理作用具有重大意义。然而，神经递质在脑中含量极低，且神经递质的分子结构相似，对精确测定提出了更高的要求。因此，我们的目标就是挑战这一难点，开发一种脑中神经化学物质精准测量的SERS传感器。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：本项研究中的最大挑战是如何合理的设计探针分子，使探针分子既能满足热点分布的均一性，确保纳米颗粒在亚纳米尺度上间距的统一性，实现高准确性检测，又能高选择识别纳摩尔级别的去甲肾上腺素，避免脑环境中结构相似干扰物质的信号串扰。这项研究涉及学科交叉，需要分子设计、有机合成、传感设计等方面的背景知识，而我们的团队在前期的研究中积累了分子设计合成、定性定量测量以及活体平台搭建的丰富经验，为课题的顺利开展奠定了良好的基础。