近日，必威韩磊教授带领的山东省青创人才引育计划团队在天然产物聚集诱导发光分子探针用于癌症标志物检测方面取得重要进展。研究工作以“Exploration of Water-Soluble Natural AIEgens Boosting Label-Free Turn-on Fluorescent Sensing in a DNA Hydrogel”为题发表在分析化学领域国际权威期刊《Analytical Chemistry》（SCI一区，自然指数期刊，影响因子IF=7.4）。该文章被美国化学会出版社选为封面文章。文章的第一作者为团队成员王修中老师，betway必威西汉姆联官网的韩磊教授作为唯一通讯者。

图1 文章封面

在临床诊断和治疗中，对与疾病相关的生物标志物的检测起到了至关重要的作用是一种内源性的非编码RNA(18-23碱基)，作为重要的疾病标志物之一，miRNA已经被证明与癌症及其他相关疾病有着重要联系。迄今为止，已经有许多用于miRNA超灵敏的分析方法，基于荧光的检测方法具有简单、高效、灵敏、低背景以及检测速度快等优点，然而，荧光法一直存在复杂修饰过程的问题。另外，传统的荧光团也存在着在高浓度或者聚集态下荧光会减弱或者猝灭（ACQ）的问题。

2001年，唐本忠院士报道聚集诱导发光（AIE）现象，从而解决了传统荧光染料的ACQ问题，然而，目前报道的绝大部分的AIE来源于人工合成，合成过程普遍存在着合成步骤复杂、需要有机专业知识、成本高、难溶于水等缺点。更关键的是，众多AIE分子通常在水溶液里呈现聚集态而发光，故无法实现生物样品中的开信号检测。

众所周知，中药在中医研究中有着悠久的历史，近日，betway必威西汉姆联官网韩磊教授团队，在中药中筛选了一种具有AIE特性的天然产物，异喹啉类生物碱，又名药根碱（Jat），对其AIE发光机理进行了详细研究。通过紫外-可见光谱和光致发光光谱系统地研究了Jat的AIE性质，并通过量子产率、荧光寿命以及分子轨道模拟等方面初步研究了Jat的AIE机理。在此基础上，设计了基于Jat分子的荧光DNA水凝胶生物传感器，如图2所示，并将其用于疾病标志物之一miRNA的超灵敏检测。

                             图2 基于Jat分子的荧光DNA水凝胶生物传感策略

论文首先研究了Jat的AIE特性，探讨了不同溶剂条件下Jat分子的AIE发光行为，首次揭示了Jat分子的AIE发光机理，Jat的AIE机制是限制分子内分子运动（RIM）。为了更好地理解Jat的光物理行为，作者采用X射线单晶衍射法测定了Jat的晶体结构。结果表明，Jat主要位点在晶体中呈非平面构象，供电子苯基平面与接受电子的异喹啉基平面呈14.42°的二面角（图3A）。结构解析表明，其发光行为的成因可能是存在扭曲分子内电荷转移（TICT）效应和分子内振动运动行为。此外，Jat分子相邻位点几乎彼此平行与分子间质心吡啶环的距离分别为3.781和4.387 Å（图3B），超过了典型π−π堆叠距离（3.5 Å）而导致荧光淬灭的距离。此外，Jat分子还具有丰富的分子内和分子间氢键相互作用（图3C）。

图3 单晶结构解析 (A) Jat中苯基与异喹啉基团分子内的二面角。(B) Jat中两个相邻分子间的π−π质心距离。(C) Jat的分子内和分子间形成的氢键。

为了进一步揭示Jat氯化物的AIE机理，作者对Jat分子内运动和TICT效应进行了详细研究和讨论。首先测试了Jat在不同极性溶剂中的光学特性，如图4A和4B所示。不同溶剂中，Jat的UV-Vis吸收基本不变，但荧光强度随着溶剂极性的增加而急剧下降。这些现象表明，Jat分子中也存在着扭曲的分子内电荷转移（TICT）效应。另一方面，对HOMO和LUMO的电子密度分布也进行了探讨，如图4C和4D所示。π-π*电子跃迁引起的微弱荧光发射特性与实验数据吻合得很好。进一步计算得到Jat分子的能带隙为3.09 eV，证明了Jat分子较容易产生荧光发射。

图4药根碱的聚集诱导发光机理研究。(A) Jat在水、乙醇、四氢呋喃和二氯甲烷中的紫外-可见吸收光谱。(B) Jat在水、乙醇、四氢呋喃和二氯甲烷中的发光光谱。(C) Jat的LUMO能级的分子轨道振幅图。(D) Jat的HOMO能级的分子轨道振幅图。

 在对Jat的AIE活性研究基础上，为了开发Jat的潜在应用，设计了一种用于检测miRNA的超灵敏DNA水凝胶荧光生物传感器，如图5所示。该传感策略由两部分组成。第一部分是熵驱动循环信号放大：首先将设计好的含output(O)的DNA序列与template序列杂交形成底物substrate。在目标物miRNA和燃料DNA存在时，催化引发熵驱动循环，释放大量的output(O)，如图3.1 (a)所示。第二部分是DNA水凝胶的形成促使Jat分子的聚集发光。如图3.1(b)所示，第一步熵驱动循环过程中释放的output(O)促使两个发夹DNA (H1和H2)相互杂交形成DNA水凝胶，水凝胶的形成限制了AIE活性的Jat分子内运动，发射强烈荧光，其强度与第一步熵驱动循环中参与的目标物有定量关系，据此对目标物miRNA定量分析综上所述，结合熵驱动的循环扩增策略和形成的DNA水凝胶触发AIEgens的荧光增强，实现了miRNA的超灵敏检测。

                            图5 (a)基于熵驱动DNA循环扩增。(b)荧光DNA水凝胶的形成。

韩磊教授团队简介：必威韩磊教授在学校、学院的大力支持下所组建的“生物纳米与分子识别团队”是一支多学科交叉、年青且富有活力的科研创新团队，教师队伍包括教授4名、副教授1名、高级实验员1名，均具有博士学位，其中海外学习背景者5人，山东省优秀研究生导师1人，国家一流专业建设点负责人1人，入学全球2%顶尖科学家榜单（World's Top 2% Scientists 2022）1人，省级人才1人，团队王修中教授和鲁莉华教授分别担任应用化学专业和化学工程与工艺专业负责人。团队成员学科交叉能力强，既有从事纳米材料、分析化学、有机化学领域的科研人员，也有智慧农业、仿生催化、微生物领域的学术骨干，能够承担生物纳米与分子识别及农业智能感知领域的综合性研究。近年来，团队围绕社会需求，面向国际科技前沿问题，致力于生物纳米与分子识别方面的研究，形成了具有鲜明特色和优势的研究方向。在Advanced Functional Materials（Nature 指数期刊，IF=19）、Chemical Science（Nature 指数期刊，IF=8.4）、Analytical Chemistry（Nature 指数期刊，IF=7.4）、Chemical Engineering Journal（化工类TOP期刊，IF=15.1）、Journal of Hazardous materials（环境类TOP期刊，IF=13.6）、Biosensors and Bioelectronics（工程类TOP期刊，IF=12.6）、Journal of Agricultural and Food Chemistry（农林类TOP期刊，IF=6.1）、Aggregate（国内SCI，IF=18.8）等SCI期刊上发表科研论文100余篇。承担国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年项目、山东省自然科学基金面上项目等项目十余项。在多年研究基础之上，已授权20余个国家发明专利，并与国际知名高校、企业、医院等单位实现了长期合作。指导员工团队在国家生化实验创新大赛、挑战杯、科创大赛等国家级、省级创新创业竞赛上获奖十余项。团队本科生、研究生多次荣获学校康地恩奖学金、国家奖学金、省级优秀毕业论文、省级优秀毕业生等奖项。今年，团队相继开发了基于纳米酶的农药快检新方法（Analytical Chemistry. 2023. 95(37). 13864-13871）、水环境中酚类污染物传感器（Journal of Hazardous materials. 2023. 452. 131265）、食品过氧化氢检测方法（Food Chemistry. 2023. 419. 136059）、抗菌及伤口愈合（Chemical Engineering Journal. 2023. 474. 145706）、肿瘤治疗（Chemical Engineering Journal. 2023. 456. 141091）、病毒检测及农药控释（Aggregate. 2023. 4(1). e204），得到了国内外科研团队及媒体的广泛关注。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.analchem.3c02004