生物傳感及光譜成像(上)：深究機理單分子檢測成趨勢

    2023年7月16日，第22屆全國分子光譜學術會議暨2023年光譜年會召開的第二天，在生物傳感及光譜成像專場的上午半場，專家們帶來單分子檢測、生物酶傳感器、化學修飾、手性檢測等領域的精彩報告。

中山大學歐陽鋼鋒教授

    中山大學的歐陽鋼鋒教授做“多孔晶態框架限域的級聯催化應用于生物傳感”的報告。設計合適的載體固定酶，是提高酶穩定性的重要策略，包括表面固定、滲透固定、原位封裝等。在MOFs限域的生物級聯方面，中山大學酶@ZIF-8級聯傳感器基礎上，課題組設計了類金屬巰基蛋白結構，而其有酶促發ZIF-8快速成核及緩慢共沉淀機制，進行蛋白質表面改性后再次提升活性，在結構研究中用Cyro-EM+IDPC（積分差分相位襯度成像）法表征，當加入聚多肽-聚谷氨酸結構后，將形貌從三維改為二維提升活性，可設計不同傳感器。課題組還設計氫鍵生物雜交框架做成HOFs限域的生物級聯傳感器，并精準調控HOF盔甲的窗口尺寸增強特異性。未來將在環境催化、降解，以及酶級聯納米熒光探針方面開展更多研究。

東南大學張春陽教授

    東南大學張春陽教授做“ RNA 生物標志物的超靈敏檢測研究進展” 的報告。單分子檢測可降低樣品用量，如只用10^-15L取樣，信噪比更高、選擇性更好、線性范圍更寬。課題組搭建了超分辨系統，如發展了多色熒光編碼用于microRNA單分子檢測，基于熒光能量轉移原理發展了無酶催化的單分子量子點microRNA納米傳感器。上述方法均與臨床熒光定量PCR標準比較。該方法還可進行細胞內成像，在細胞內成像時，課題組發現加入堿基錯配探針，可大幅提高反應速度，提高成像效果。非編碼長鏈RNAs難以檢測，課題組用置換思路發展了無酶的檢測方法，具有特異性和單細胞檢測靈敏度。

四川大學呂弋教授 

    四川大學呂弋教授做“氣固界面催化發光傳感研究” 的報告。氣體傳感希望高靈敏度高選擇性，課題組研究氣-固界面上的催化氧化過程并構建新型傳感器。利用稀土元素構建了ETCTL利用能量轉移化學發光傳感器，如將Tb³⁺/Eu³⁺摻雜到材料中，研究了其反應機理，并用于環境、半導體等應用。還構建時間分辨的化學發光傳感器（TRCTL），能量輔助的催化發光傳感器（EACTL），如UV光輔助提升CO傳感器選擇性，PDINH等。課題組圍繞分子在界面上的催化發光構建了多種傳感器器件，用于半導體中痕量雜質氣體的檢測等。

安捷倫科技（中國） 有限公司應用工程師王晶晶 

    安捷倫科技應用工程師王晶晶做“無處不在的UV-Vis ：從生化研究到材料表征”的報告，首先介紹紫外可見近紅外分光光度計的原理和各波段的應用。在液體方面，可進行定性并更多用于定量分析，如用Cary 3500/Cary 60測試核酸蛋白濃度/純度，最低到10 uL；用具有空冷及40℃/min升溫速率的Cary 3500測定DNA變性溫度Tm，檢測酶活性。用Cary 60及光纖附件可對樣品進行原位分析測試。在固體樣品方面，使用Cary 4000/5000/6000/7000，配備三光源、雙單色器，并舉例了利用積分球、UMA附件等測定太陽能電池性能、濾光片、原位測試催化劑性能等應用。

陜西師范大學劉成輝教授

    陜西師范大學劉成輝教授做“單顆粒分析與數字式生物傳感”的報告，首先回顧了單分子檢測如dd-PCR檢測DNA，Simoa檢測蛋白等。課題組前期利用流式微球檢測，進行多維度信息讀取，因此發展了數字式流式微球檢測技術進行單分子計數。設計了基于單分子延申擴增機制的數字式流式微球體系，實現了核酸分子、免疫及囊泡的數字式分析。后設計單顆粒表面限域運動的數字式DNA Walker體系，基于T4 PNK自身限域運動特性的數字式分析體系，靈敏度非常高，據此構建普適性方法；還構建單微球為載體的生化分析體系，基于微流控的自動化單微球操控系統（AMIA）。小結來看，課題組突破了常規數字式分析必須依賴封閉式微反應室的制約，發展了基于單顆粒表面單分子擴增、單分子限域反應等機制的數字式定量新思路，開創了單微球微載體的生化分析體系，實現了單微球操控的自動化和器件化，為面向液體活檢的核酸及蛋白分子精確定量提供了新思路。

中國科學院生態研究所汪海林研究員 

    中國科學院生態研究所汪海林研究員做“DNA 化學修飾精準分析與表觀遺傳研究”的報告。首先介紹了50個細胞DNA修飾的LC-MS分析，課題組發展的DNA N6-甲基腺嘌呤精確分析法，為機器學習輔助單分子定量提供了準確的標尺，已廣泛用于表觀遺傳學、病理學、毒理學等研究并產生重要科學影響。進一步研究DNA N6-甲基腺嘌呤修飾（6mA），將DNA甲基化拓展到胞嘧啶和腺嘌呤，發現其可作為膠質瘤中的潛在標志物，DNA 6mA豐度與膠質母細胞瘤病人的預后有關。全基因組DNA修飾測序方面，研究了6mA超親體蛋白質的人工進化，獲得109個突變的高容量突變文庫，并進行了哺乳動物DNA 6mA的全基因組測序。

北京大學化學與分子工程學院趙美萍教授 

    北京大學化學與分子工程學院趙美萍教授做“單分子熒光法研究Lambda核酸外切酶與底物 DNA 間的相互作用”的報告。首先介紹研究的背景和可能的機理，比如λ外切酶如何識別和結合不同的DNA末端。課題組發展了單分子熒光方法，首先用基于全內反射熒光顯微鏡（TIRF）的smFRET，來研究識別和結合過程，發展了λ exo的多功能聯用實現dsDNA突變的程序化自動檢測，用均相熒光分析法快速測定基因組中缺堿基位點的整體水平。其次研究λ exo的納米孔通道如何識別DNA結構的變化，利用硫代修飾定位DNA鏈中磷酸骨架修飾（磷硫酰化）位點。然后研究λ exo是否能通過開三聚體與DNA結合和解離，定點標記λ exo的三個亞基后，直接觀測到納米孔的打開。用linker將酶改造為納米孔的共價成環，用LC-MS研究linked-λ exo的酶切行為，發現了單堿基差異化片段。總結來看，課題組構建了套索式分子探針實現活細胞內應用，定點突變或化學修飾納米孔內氨基酸殘基，增加對堿基變化的敏感性和過孔速率的調控能力，探索酶切過程中蛋白和DNA分子構象的連續動態變化。

堀場（中國） 貿易有限公司應用工程師任婉情                    

    堀場公司應用工程師任婉情做“分子熒光光譜及熱點應用解決方案”的報告，簡介了熒光表征技術后，介紹熒光探針的應用如近紅外一區檢測器的區別；濃度定量及動力學研究中，堀場的動力學測試支持自動光漂白保護，校正內濾效應增強定量性能。熒光成像應用中，在近紅外至中紅外發光中堀場檢測器范圍寬，可液氮制冷InGaAs等檢測器。在發光效率應用測定絕對量子產率方面，堀場設備具有高反射率、大尺寸等特點；在相對量子產率方面具有吸收熒光同步測試、內濾效應校正等特點。此外介紹了長余輝應用，室溫磷光應用、太陽能電池、實時FLIM方面的應用。

華中農業大學韓鶴友教授   

    華中農業大學韓鶴友教授做“面向狂犬病的納米診療技術“的報告。首先介紹狂犬病病毒及危害、致病機理。中國是受狂犬病危害最嚴重的國家之一，發病率居世界第二，世衛組織將9月28日定為狂犬病日。課題組建立了2種雙模式快速檢測狂犬病毒的新方法，用量子點傳感器雙模式法（試紙條、熒光法）快速檢測狂犬病毒核蛋白，免疫傳感器雙模式法（ECL/EC）快速檢測狂犬病毒糖蛋白，并進行腦組織中病毒含量檢測。在治療方面，探索納米光熱法用于活性小鼠感染狂犬病病毒的治療，效果良好；研制緩釋型微針納米疫苗用于活性小鼠抗狂犬病毒免疫，效果良好。  

吉林大學馬強教授

    吉林大學馬強教授做“表面增強電化學發光方法的研究及醫學診斷應用“的報告。課題組結合SPC-ECL（表面等離激光耦合-電化學發光），來增強信號。課題組發展具有高檢測靈敏度和偏振角度分辨特點的SPC-ELC，分別介紹了：基于納米粒子單元Au NPs的SPC-ELC研究；基于圖案化結構的SPC-ECL研究；基于三維結構的SPC-ECL研究。

 四川大學袁晨副教授

    四川大學袁晨博士做“新型結晶多孔材料的設計構筑及其?性熒光傳感性能研究“的報告。手性識別與分離中，開發特異熒光探針是當前有效手段。開發手性功能前驅體、手性結晶多孔材料是熱點。課題組設計合成了手性冠醚骨架COF，并開展手性熒光傳感研究。發展手性有序大孔MOF薄膜熒光傳感器。小結來看，課題組將手性結晶多孔材料用于手性識別與光譜傳感，具有優勢包括：高穩定性、豐富的手性作用位點、開放有序的多孔結構、孔道環境易調控、結構清楚，易于手性光譜的機理研究。