唐本忠院士&王树研究员AFM：基于聚集诱导发光分子构建荧光传感器阵列用于快速准确鉴定病原菌

【研究背景】

病原菌感染严重威胁人类生命健康，为确保有效治疗，快速可靠的病原菌鉴定是第一步。但是传统的鉴定方法较为复杂，耗时较长。因此，迫切需要一种快速可靠的方法来识别各种病原菌。荧光探针具有响应迅速，灵敏度高，操作简单等优点，已广泛用于病原菌鉴定。但是传统的荧光探针往往存在聚集诱导猝灭（ACQ）和稳定性差的问题，将降低检测的灵敏度。相比之下，聚集诱导发光（AIE）分子能够很好克服传统荧光分子的缺陷，并且其具有低的荧光背景，因此不需要繁琐的洗涤步骤。 AIE分子的这些优点将大大提高检测的灵敏度和可靠性，很好地满足了理想荧光传感器的要求。到目前为止，基于AIEgen的传感器阵列通过数学统计方法识别细菌的荧光响应信号，对细菌样本的检测准确率仅为93.75％。因此，合理设计AIEgen传感器阵列以扩大各种病原体荧光响应之间的差异，从而实现高检测精度仍然是一个巨大的挑战。

【成果简介】

近日，香港科技大学唐本忠院士和中科院化学所王树研究员基于聚集诱导发光分子成功开发了一系列简单可靠的荧光传感器阵列，用于检测和区分病原菌。每个传感器阵列由三个AIE活性的四苯乙烯（TPE）衍生物组成，其具有亲水的季铵盐基团和不同的疏水取代基，提供可调的logP（正辛醇/水分配系数）值，以此来调节与病原菌间不同的多价相互作用。基于AIEgens与病原菌间不同相互作用产生的特征荧光响应，这些传感器阵列可以识别不同种类的病原菌，甚至是正常和耐药菌，准确度接近100％。此外，该体系还可以准确地区分病原菌混合物，具有快速（约0.5小时），高通量，操作简单，免洗等优点。该研究成果今日以题为“Engineering Sensor Arrays Using Aggregation-Induced Emission Luminogens for Pathogen Identification”发表在知名期刊Adv. Funct. Mater.上。该论文第一作者是香港科技大学周成成博士和博士生许文涵，通讯作者为香港科技大学唐本忠院士和中科院化学所王树研究员。

【图文导读】

图一：TPE-ARs的光物理和聚集性质

(a) 归一化的TPE-ARs在DMSO中的紫外吸收谱和不同有机溶剂和水混合体系中的荧光光谱图；
(b) 在具有不同水含量的DMSO/ 水混合溶剂中TPE-AHex的荧光光谱图；
(c) PBS溶液中TPE-ARs的荧光强度随浓度的变化。

图二：TPE-ARs对病原菌的荧光、电位变化及成像效果图

(a) TPE-APrA在PBS和微生物悬浮液中的荧光光谱图；
(b)加入TPE-ARs前后，七种病原菌Zeta电位的变化；
(c)与TPE-APrA, TPE-ACH和TPE-AHex分别孵育15分钟后七种病原菌的激光共聚焦图像。

图三：TPE-ARs对不同病原菌的荧光响应

（左）在加入微生物之后，七个TPE-ARs的荧光响应图；
（右）基于荧光强度变化的七个TPE-ARs的分组标准。

图四：TPE-ARs对病原体的荧光响应及聚集行为

(a) TPE-AHex在PBS和微生物悬浮液中的荧光光谱图；
(b)PBS溶液中TPE-ARs荧光强度随浓度变化；
(c)不同浓度下TPE-ABu和TPE-AHex聚集体在PBS溶液中的粒径分布；
(d,e) 20 μM浓度下TPE-ABu和TPE-AHex的低温透射电镜图。

图五：TPE-ARs传感器识别不同的病原菌

(a) TPE-APrA，TPE-ACH和TPE-AHex（组合AB1C）传感器阵列对7种微生物的荧光响应图；
(b) 进行LDA分析得到的标准分数区分图。

图六：TPE-ARs传感器识别不同的混合病原菌

(a) TPE-APrA，TPE-ACH和TPE-AHex（组合AB1C）传感器阵列对8种微生物混合物的荧光响应图；
(b) 进行LDA分析得到的标准分数区分图。

【小结】

本文基于AIE活性分子TPE衍生物成功构建了14个荧光传感器阵列，用于快速可靠的病原菌鉴定。为了平衡荧光响应的多样性和传感器阵列的简单性，每个传感器阵列由三个TPE-AR组成。其中，每个TPE-AR具有一个阳离子季铵盐基团但具有不同的疏水基团，具有精细控制的疏水性，来调节TPE-AR和病原菌之间的静电和疏水作用。同时，TPE-ARs也呈现不同的聚集行为，进一步丰富了TPE-ARs和病原菌间的多价相互作用。由于TPE-ARs与病原菌的不同相互作用，每个传感器阵列都可以为不同的病原菌提供特征荧光响应信号。借助统计方法LDA识别病原菌的荧光信号，可以有效地鉴定七种不同的病原菌，甚至正常和耐药菌种，准确度接近100％。该传感器阵列同样适合分析包含两种或以上病原菌的复杂情况。此外，该传感器具有快速（约0.5小时），操作简便和高通量的优点，具有为临床决策和监测传染病趋势提供及时可靠的病原体信息的巨大潜力。

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

课题组简介:

唐本忠院士团队：可参见唐本忠教授香港科技大学课题组网站：http://tangbz.ust.hk/index.html
团队简介：2001年，唐本忠院士首次提出“聚集诱导发光”（aggregation-induced emission, AIE）概念，并自此发展出一系列具有AIE性质的发光团（AIEgens），开辟了发光材料的新领域。由于这类分子“溶解不发光、聚集才发光”的特点，其既能克服ACQ问题，又具有量子产率高、光稳定性好、背景荧光弱、斯托克斯位移大等优点，吸引着来自全球的研究兴趣，已广泛应用于化学检测、生物成像、环境监测、医学诊断治疗及发光器件等诸多领域，成为近十几年来的研究热点。以“Aggregation-Induced Emission”为关键词从Web of Science数据库中获取数据表明：从2001年至今，唐本忠教授课题组所发表的关于AIE的研究论文及综述的引用情况单篇引用>1,000次，一年内引用>300次。

王树研究员团队：可参见王树研究员课题组网站：http://wangshu.iccas.ac.cn/
团队简介：王树研究员课题组成立于2005年，隶属于中国科学院化学研究所有机固体院重点实验室。一直致力于将导电高分子与生物活性分子的特异性识别有机结合起来，设计新型的生物活性导电高分子材料，研究它们的生物识别与传感的机理，发展用于检测生物大分子与重要生命化学反应的新型高灵敏度与高选择性生物传感体系，发展用于疾病早期诊断和治疗的新技术。

本文由材料人电子组大兵哥供稿，材料牛整理编辑。

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