刘志洪教授团队在活体光电分析领域取得重要突破

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近日，化学化工学院刘志洪教授团队的最新研究成果“FRET Modulated Signaling: A Versatile Strategy to Construct Photoelectrochemical Microsensors for in Vivo Analysis（《荧光共振能量转移调控光电信号：构建用于活体分析的光电化学微传感器》）”，发表于化学领域顶级期刊Angew. Chem. Int. Ed.（DOI：德国应用化学，IF：12.959）。湖北大学为第一单位，化学化工学院博士后叶晓雪和2020级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通讯作者。
        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，其以光为激发源的特点，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。
       基于以上问题，刘志洪教授团队提出了一种基于荧光共振能量转移（FRET）调控光电化学信号的新策略，实现了光电化学对活体内非电活性物质的高选择检测。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，组成光电微电极。在980nm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1. FRET调控光电信号的原理及活体分析应用示意图

       该工作将FRET的高选择性、上转换纳米材料的近红外光激发（980nm）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。
       刘志洪教授团队于2019年6月完成实验室基础设施建设，2019年8月完成一期仪器平台安装调试。团队围绕荧光、光热、光声和光/电分析技术的创新及生物应用方面做了一系列有特色的工作，至今以湖北大学为通讯单位发表论文20篇，其中包括J. Am. Chem. Soc. (1篇, IF: 14.612)，Angew. Chem. Int. Ed. (1篇，IF：12.959)，Adv. Funct. Mater. (2篇，IF: 16.836)，Small (2篇，IF：11.459)，Trands Anal. Chem. (1篇, IF: 9.801)，Anal. Chem. (4篇，IF:6.785 )，ACS Appl. Mater. Inter. (1篇, IF: 8.758)，Biosens. Bioelectron. (1篇, IF:10.257)，ACS Sens. (1篇，IF:7.333 )，Chem. Commun. (1篇, IF: 5.996)。


       文章来源：湖北大学
       刘志洪教授，博士生导师，武汉大学“珞珈特聘”教授。2016年获得国家杰出青年科学基金，2017年入选科技部“创新人才推进计划”，2018年入选“万人计划”科技领军人才。探索性地提出了一系列上转换荧光分子及纳米材料的制备和表面功能化新策略，建立了一批适于复杂生物样品体内、体外分析的快速、高灵敏、高特异性检测方法和探针，被国际同行评价为“可望为生物医学检测带来革命性的变化”（Nano Today, 2012, 7, 532）。近5年来在JACS、Angew Chem Int Ed、Adv Funct Mater、Small、Chem Sci、Anal Chem、Chem Com 等期刊发表SCI论文100余篇，SCI他引逾5000次，4篇入选ESI高被引论文，参编学术专著3部。
       韩冬雪，1978年12月6日出生，教授，博士，博士生导师。国家自然科学基金优秀青年基金获得者，全国有机电化学与工业行业联合会第五届理事会理事，中国生物检测监测产业技术创新战略联盟理事会理事。主要研究领域为纳米结构复合材料及其在电极界面修饰、生物抗氧化分析、电化学传感应用等。研究特长为采用半导体复合材料、碳纳米材料、金属、导电聚合物纳米结构复合材料等开发新型光催化剂并开展能级调控研究；围绕生物抗氧化剂与自由基反应机理和分析检测方法，结合化学修饰电极、电分析化学传感器设计等方面的大量研究基础和工作开展电化学及光电化学传感器方面的研究。已在国内外核心期刊如Adv. Mater., Chem. Sci., Anal. Chem., Biosen. Bioelectron.等核心期刊发表论文90余篇，其中一作和通讯作者论文共47篇，影响因子大于3的31篇，大于5的21篇，SCI论文获他引3800余次。申请专利15项，其中8项已获授权。主持国家自然科学基金优秀青年基金、面上项目、青年基金项目各1项，中国科学院仪器装备研制项目1项，吉林省科技厅项目2项。作为项目骨干参与国家自然科学基金委仪器专项1项，参与国家科技部十五、十一五攻关及863项目4项，获得2008年吉林省科学技术进步二等奖，2013年吉林省自然科学学术成果二等奖，2015年吉林省科学技术一等奖。