摘要

近日，吉林大学电子科学与工程学院卢革宇、刘晓敏教授研究团队成功设计并制备了一种手性纳米探针(UCNPs/CuxOS@ZIF-8)，在体外、体内实现了对硫化氢的上转换荧光/圆二色双模传感，该工作以“Upconversion-based chiral nanoprobe for highly selective dual-mode sensing and bioimaging of hydrogen sulfide in vitro and in vivo”为题发表在《Light :Science & Applications》。吉林大学电子科学与工程学院卢扬博士为第一作者。本项研究为手性纳米材料在生物领域的应用提供了新的可能性。

研究内容

手性指一个物体不能与其镜像相重合，是自然界普遍存在的基本特征。这一概念是在研究天然酒石酸及其相关物质的晶体学和光学活性时提出的。随后，人们发现大多数生物分子都是手性的，如葡萄糖、氨基酸、蛋白质、DNA等。这些手性生物分子通常具有优异的安全性和生物相容性。近些年来，随着纳米科学技术的不断发展，人们利用这些天然手性分子制备了许多人工手性纳米材料，包括手性纳米颗粒、二维手性纳米膜、手性纳米组合体等。

这些手性纳米材料对组成平面偏振光的左旋和右旋圆偏振光的吸收系数(ε)是不相等的，即具有圆二色性。如果以不同波长的平面偏振光的波长λ为横坐标，以吸收系数之差Δε=εL-εR为纵坐标作图，得到的图谱即是圆二色光谱。近年来，随着手性光-物质相互作用研究的深入，基于圆二色光谱的传感逐渐成为手性生物传感器的重要方法之一，利用圆二色光谱信号进行生物传感的研究取得了许多优秀的成果，与其他光谱分析方法，例如表面增强拉曼、比色、荧光等相比，圆二色光谱信号具有更高的灵敏度。

尽管基于圆二色光谱的手性传感器具有优异的传感性能，但样品预处理、信号采集和分析过程使得其难以对细胞和活组织进行实时的现场传感和分析，这对于快速变化的生理环境中的生物监测至关重要。为了在生物领域展现更广阔的应用前景，科学家们提出将一些其他材料与手性材料结合，使这种具有手性的纳米复合材料具有更多样化的生物功能。遗憾的是由于材料类型和制备技术的限制，这种手性功能复合材料的设计仍然受到很大的限制。在材料种类选择上，几种材料之间是否会存在正向影响？在复合方式上，最终的复合结构是否稳定？在传感性能上，是否能够特异性的检测目标物？因此开发结构稳定、性能优异的手性复合纳米材料以满足生物医学诊断和检测的需要仍然是一项具有挑战性的工作。

基于此，研究团队提出了一种纳米材料组装技术，利用类沸石咪唑框架-8 (ZIF-8)包封上转换纳米粒子(UCNPs)和手性Cu_xOS粒子制备了手性UCNPs/Cu_xOS@ZIF-8复合纳米探针。该探针同时具备上转换发光和圆二色性两种性质：正常情况，在980 nm近红外光激发下探针的上转换发光被Cu_xOS纳米粒子猝灭，因此探针发射出微弱的绿光，并由于Cu_xOS的存在表现出显著的圆二色性。当环境中存在硫化氢时，硫化氢破坏Cu_xOS纳米粒子使得上转换发光恢复，并在一定程度上随着硫化氢的增多绿光不断增强；另一方面，硫化氢对手性Cu_xOS的不断破坏也导致了探针的手性不断减弱。该探针也因此实现了对硫化氢的上转换发光/圆二色光谱的双模响应。

图1 UCNPs/Cu_xOS@ZIF纳米探针的制备过程及其在硫化氢生物传感中的应用示意图。图源 Light :Science & Application

传感探针的选择性是评估探针性能的一个重要指标。由于硫化氢对Cu_xOS的破坏是基于硫化氢对Cu_xOS中的Cu²⁺的还原，所以生物体内其他一些常见的还原性物质理应也能与Cu_xOS反应导致探针信号的变化。经证实，谷胱甘肽、半胱氨酸和赖氨酸等确实能够在一定程度上破坏Cu_xOS。对此，研究团队利用ZIF-8封装，将ZIF-8特有的孔道结构作为“筛子”筛选出硫化氢分子，让硫化氢分子能够进入框架内部接触Cu_xOS，而其他类似于谷胱甘肽、半胱氨酸和赖氨酸的干扰物则被阻挡在框架外部，排除它们对探针的影响。

图2 类沸石咪唑框架-8筛选硫化氢气体分子示意图。图源 Light :Science & Application

作为肿瘤的一种典型的生物标志物，硫化氢在肿瘤内部的显著上调已经被证实。基于该探针对硫化氢的响应以及上转换纳米粒子在生物成像中的优势，团队验证了该探针在活体内的原位成像效果：即探针在注射进肿瘤内部后，随着肿瘤内部的内源性硫化氢对Cu_xOS的破坏，探针的上转换发光不断增强，并在大约1.5小时后趋于稳定。

图3 UCNPs/Cu_xOS@ZIF纳米探针在不同细胞中的共聚焦图像以及在荷瘤小鼠瘤内随时间变化的上转换发光图像。比例尺= 200µm。图源 Light :Science & Application

该探针的制备为手性纳米复合材料在生物医学传感、诊断和治疗等方面提供了更为广阔的应用前景。多功能手性纳米复合材料的构筑作为一个新兴的、具有挑战性的、令人着迷的领域，在生物医学领域有着极大的发展潜力，值得进一步深入研究。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01539-6