華東師範大學張中海團隊:單原子錨定實現活體高選擇性神經遞質檢測新突破

2025年06月10日14:50:17 科學 4301

導讀

近日,華東師範大學張中海課題組在《chemical science》發表研究論文,報道了一種基於金單原子光電電極的單分子適配體錨定策略,實現了多巴胺在活體腦區的高選擇性檢測。該研究不僅突破了傳統適配體「聚集態」引發的非特異性識別難題,更在帕金森病模型小鼠中揭示了全新的神經遞質動態模式。

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研究背景

傳統適配體生物感測器因柔性高、易交聯,常在電極表面形成「nano-bushes」結構,導致非特異性吸附,限制了其在結構相似分子(如神經遞質)間的選擇性識別性能。為打破這一技術瓶頸,研究團隊提出:通過單原子級別錨定位點實現適配體單分子分散,提升分子識別的空間解析度和選擇性。

創新策略

研究構建了金單原子修飾的二氧化鈦光電電極(au sa/tio₂),利用au–s鍵連接多巴胺(da)特異性適配體,從而構建出單分子適配體光電感測器(pec-sm-aptasensor)。這一策略有效避免了傳統金納米顆粒上適配體交聯的問題,實現了適配體的空間單分子化錨定,確保了da識別的高選擇性。

核心成果

1.結構表徵:確認單原子分布與特異性錨定機制研究通過多種先進表徵手段,如haadf-stem、xanes 和 exafs,系統驗證了au單原子在tio₂載體上的分散狀態。haadf-stem圖像中清晰可見孤立的高z值亮點,確認單原子態的存在;xanes白線增強與exafs中僅出現au–o配位峰而無au–au信號,進一步排除金簇和納米粒子的可能性。

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2.性能驗證:顯著提升選擇性與檢測靈敏度該pec-sm-aptasensor在pbs緩衝液中對多巴胺(da)顯示出良好的線性響應區間(2 nm 至 3 μm)與極低的檢測限(lod = 0.25 nm)。在富含抗壞血酸(aa)、5-ht、ne等干擾物的複雜體系中,也仍保持高信噪比。相比之下,傳統au np/tio₂平台因適配體交聯形成「nano-bushes」,存在嚴重的非特異性吸附,導致對da及其結構類似物無法有效區分。

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3.機制解析:單分子分布促進電子轉移與信號增強飛秒瞬態吸收光譜(fs-tas)揭示,au sa/tio₂在負載適配體後,電子壽命參數τ₂和τ₃顯著縮短,說明電子從tio₂傳遞至au sa再至適配體的通路順暢,複合幾率下降;而au np/tio₂平台因適配體之間形成複雜網路結構,反而拉長電子壽命,表明電荷傳輸受阻。此外,pec測試顯示au sa系統在nir照射下具有更高的光生電流與更長的載流子壽命。該機制證實了「適配體單分子化」不僅提高選擇性,也同步優化了檢測信號質量。

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4.活體應用:解碼帕金森病模型中da真實動態微型pec感測器被成功植入小鼠不同腦區(str、hip、pfc)進行實時da監測。研究首次揭示:在帕金森病模型小鼠中,儘管總體單胺類遞質(包括ne、5-ht等)普遍下降,但前額葉皮層(pfc)中da濃度卻保持相對穩定。該發現顛覆了此前普遍認為「pd小鼠皮層da顯著下降」的觀點,提示pd早期認知功能缺失可能並非由於da下降,而與其他遞質(如ne/5-ht)變化更為相關。

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5.多實驗驗證:從組織、分子到行為的全鏈路證實為驗證pec檢測結果的可靠性,研究同時開展了多項驗證實驗:

免疫組化與免疫熒光:pfc中th水平輕微下降但非顯著,而5-ht轉運蛋白(5-hitt)和去甲腎上腺素轉運蛋白(net)下降更為顯著,驗證pfc中非da遞質變化主導信號下降。

gfap和αsyn染色:pd小鼠str與pfc中出現典型炎症反應與蛋白聚集,hip區則基本無明顯變化,與感測信號趨勢高度一致。

行為學測試:pd小鼠在開放場實驗中表現出典型運動障礙,但在時間順序識別(pfc功能)與新物識別(hip功能)實驗中表現正常,進一步支持「pfc中da未變,認知功能未損」的結論。

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總結

本研究開創性地將單原子材料引入到適配體感測器構建中,通過單分子錨定策略大幅提升檢測的選擇性與靈敏度,成功實現多巴胺在複雜腦環境下的活體高保真檢測。該策略不僅突破了神經遞質檢測的技術瓶頸,也為解析神經系統疾病(如帕金森病)中的神經遞質動態提供了新的技術手段與認知路徑。

作者簡介

張中海教授華東師範大學化學與分子工程學院、綠色化學研究中心,長期從事單原子催化材料與分子識別體系研究。近年來在nat. commun., pnas, angew. chem., adv. mater., joule, acs nano, adv. funct. mater., nano lett., anal. chem.等國際著名學術期刊上發表高質量學術論文100餘篇。文章他引超過7500次,h-index達到47。

課題組主頁:https://faculty.ecnu.edu.cn/_s34/zzh2/main.psp

有博士後與博士研究生招聘計劃,歡迎具有化學、材料、分析或生物背景的學生加入團隊!

文獻詳情:

aptamer single-molecule dispersion on single-atom anchoring sites for high-selectivity in vivo detection

jing huang, shiting gu, xue zhou, yibin liu, zhonghai zhang*

chemical science202516, 9720–9729 

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/sc/d5sc01852h

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