唐本忠院士&王樹研究員AFM：基于聚集誘導發光分子構建熒光傳感器陣列用于快速準確鑒定病原菌

【研究背景】

病原菌感染嚴重威脅人類生命健康，為確保有效治療，快速可靠的病原菌鑒定是第一步。但是傳統的鑒定方法較為復雜，耗時較長。因此，迫切需要一種快速可靠的方法來識別各種病原菌。熒光探針具有響應迅速，靈敏度高，操作簡單等優點，已廣泛用于病原菌鑒定。但是傳統的熒光探針往往存在聚集誘導猝滅（ACQ）和穩定性差的問題，將降低檢測的靈敏度。相比之下，聚集誘導發光（AIE）分子能夠很好克服傳統熒光分子的缺陷，并且其具有低的熒光背景，因此不需要繁瑣的洗滌步驟。 AIE分子的這些優點將大大提高檢測的靈敏度和可靠性，很好地滿足了理想熒光傳感器的要求。到目前為止，基于AIEgen的傳感器陣列通過數學統計方法識別細菌的熒光響應信號，對細菌樣本的檢測準確率僅為93.75％。因此，合理設計AIEgen傳感器陣列以擴大各種病原體熒光響應之間的差異，從而實現高檢測精度仍然是一個巨大的挑戰。

【成果簡介】

近日，香港科技大學唐本忠院士和中科院化學所王樹研究員基于聚集誘導發光分子成功開發了一系列簡單可靠的熒光傳感器陣列，用于檢測和區分病原菌。每個傳感器陣列由三個AIE活性的四苯乙烯（TPE）衍生物組成，其具有親水的季銨鹽基團和不同的疏水取代基，提供可調的logP（正辛醇/水分配系數）值，以此來調節與病原菌間不同的多價相互作用。基于AIEgens與病原菌間不同相互作用產生的特征熒光響應，這些傳感器陣列可以識別不同種類的病原菌，甚至是正常和耐藥菌，準確度接近100％。此外，該體系還可以準確地區分病原菌混合物，具有快速（約0.5小時），高通量，操作簡單，免洗等優點。該研究成果今日以題為“Engineering Sensor Arrays Using Aggregation-Induced Emission Luminogens for Pathogen Identification”發表在知名期刊Adv. Funct. Mater.上。該論文第一作者是香港科技大學周成成博士和博士生許文涵，通訊作者為香港科技大學唐本忠院士和中科院化學所王樹研究員。

【圖文導讀】

圖一：TPE-ARs的光物理和聚集性質

(a) 歸一化的TPE-ARs在DMSO中的紫外吸收譜和不同有機溶劑和水混合體系中的熒光光譜圖；
(b) 在具有不同水含量的DMSO/ 水混合溶劑中TPE-AHex的熒光光譜圖；
(c) PBS溶液中TPE-ARs的熒光強度隨濃度的變化。

圖二：TPE-ARs對病原菌的熒光、電位變化及成像效果圖

(a) TPE-APrA在PBS和微生物懸浮液中的熒光光譜圖；
(b)加入TPE-ARs前后，七種病原菌Zeta電位的變化；
(c)與TPE-APrA, TPE-ACH和TPE-AHex分別孵育15分鐘后七種病原菌的激光共聚焦圖像。

圖三：TPE-ARs對不同病原菌的熒光響應

（左）在加入微生物之后，七個TPE-ARs的熒光響應圖；
（右）基于熒光強度變化的七個TPE-ARs的分組標準。

圖四：TPE-ARs對病原體的熒光響應及聚集行為

(a) TPE-AHex在PBS和微生物懸浮液中的熒光光譜圖；
(b)PBS溶液中TPE-ARs熒光強度隨濃度變化；
(c)不同濃度下TPE-ABu和TPE-AHex聚集體在PBS溶液中的粒徑分布；
(d,e) 20 μM濃度下TPE-ABu和TPE-AHex的低溫透射電鏡圖。

圖五：TPE-ARs傳感器識別不同的病原菌

(a) TPE-APrA，TPE-ACH和TPE-AHex（組合AB1C）傳感器陣列對7種微生物的熒光響應圖；
(b) 進行LDA分析得到的標準分數區分圖。

圖六：TPE-ARs傳感器識別不同的混合病原菌

(a) TPE-APrA，TPE-ACH和TPE-AHex（組合AB1C）傳感器陣列對8種微生物混合物的熒光響應圖；
(b) 進行LDA分析得到的標準分數區分圖。

【小結】

本文基于AIE活性分子TPE衍生物成功構建了14個熒光傳感器陣列，用于快速可靠的病原菌鑒定。為了平衡熒光響應的多樣性和傳感器陣列的簡單性，每個傳感器陣列由三個TPE-AR組成。其中，每個TPE-AR具有一個陽離子季銨鹽基團但具有不同的疏水基團，具有精細控制的疏水性，來調節TPE-AR和病原菌之間的靜電和疏水作用。同時，TPE-ARs也呈現不同的聚集行為，進一步豐富了TPE-ARs和病原菌間的多價相互作用。由于TPE-ARs與病原菌的不同相互作用，每個傳感器陣列都可以為不同的病原菌提供特征熒光響應信號。借助統計方法LDA識別病原菌的熒光信號，可以有效地鑒定七種不同的病原菌，甚至正常和耐藥菌種，準確度接近100％。該傳感器陣列同樣適合分析包含兩種或以上病原菌的復雜情況。此外，該傳感器具有快速（約0.5小時），操作簡便和高通量的優點，具有為臨床決策和監測傳染病趨勢提供及時可靠的病原體信息的巨大潛力。

文獻鏈接：Engineering Sensor Arrays Using Aggregation‐Induced Emission Luminogens for Pathogen Identification (Adv. Funct. Mater, 2018, DOI: 10.1002/adfm.201805986)

課題組簡介:

唐本忠院士團隊：可參見唐本忠教授香港科技大學課題組網站：http://tangbz.ust.hk/index.html
團隊簡介：2001年，唐本忠院士首次提出“聚集誘導發光”（aggregation-induced emission, AIE）概念，并自此發展出一系列具有AIE性質的發光團（AIEgens），開辟了發光材料的新領域。由于這類分子“溶解不發光、聚集才發光”的特點，其既能克服ACQ問題，又具有量子產率高、光穩定性好、背景熒光弱、斯托克斯位移大等優點，吸引著來自全球的研究興趣，已廣泛應用于化學檢測、生物成像、環境監測、醫學診斷治療及發光器件等諸多領域，成為近十幾年來的研究熱點。以“Aggregation-Induced Emission”為關鍵詞從Web of Science數據庫中獲取數據表明：從2001年至今，唐本忠教授課題組所發表的關于AIE的研究論文及綜述的引用情況單篇引用>1,000次，一年內引用>300次。

王樹研究員團隊：可參見王樹研究員課題組網站：http://wangshu.iccas.ac.cn/
團隊簡介：王樹研究員課題組成立于2005年，隸屬于中國科學院化學研究所有機固體院重點實驗室。一直致力于將導電高分子與生物活性分子的特異性識別有機結合起來，設計新型的生物活性導電高分子材料，研究它們的生物識別與傳感的機理，發展用于檢測生物大分子與重要生命化學反應的新型高靈敏度與高選擇性生物傳感體系，發展用于疾病早期診斷和治療的新技術。

本文由材料人電子組大兵哥供稿，材料牛整理編輯。

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