近紅外二區NIR-II熒光探針應用：基于分子間電荷轉移作用檢測三甲胺

瀏覽次數：1065　發布日期：2022-4-26　來源：恒光智影

本文要點：三甲胺（TMA）作為一種人類腸道微生物群的代謝產物，已經吸引了越來越多醫學研究人員的關注。在肝臟中，TMA可以進一步氧化成三甲胺氧化物（TMAO），此物質是人類心血管疾病、慢性腎臟疾病、糖尿病、癌癥等疾病發病的重要風險因子。因此，迫切需要開發有效的檢測方法來監測TMA，以進行疾病預測和診斷。本文開發出一種基于分子間電荷轉移的新型有機NIR-II熒光分子ZS-1010，可作為近紅外二區熒光探針用于三甲基甲胺(TMA)的檢測。這對診斷心血管疾病和慢性腎臟疾病具有重要意義。ZS-1010的吸收發射波長均位于近紅外-II區。當與具有強電子給體特性的TMA混合時，ZS-1010的電子分布將隨著偶極矩的變化而受到影響，從而導致熒光的熄滅，指示TMA的存在。這是NIR-II區中TMA熒光探針的第一個例子，顯示出滲透深、響應快、選擇性高和對pH穩定的優勢。

圖1. TMA與探針相互作用

ZS-1010的主要吸收峰在1010nm左右，當被980nm的光激發時，在1080納米的近紅外II區有強烈的熒光發射（圖2）。如表所示，在不同的溶劑（DCM, DMSO, Ethanol,Methanol, NMP, PBS）中測定了ZS-1010的摩爾吸收系數和熒光量子產率。

圖2. ZS-1010的吸收發射光譜

為了證明TMA淬滅熒光的可行性，在ZS-1010溶液中加入不同濃度的三甲胺。隨著加入的TMA濃度逐漸升高，溶液的吸收強度逐漸減弱，顏色從藍色變為紅色 (圖2a)。此外，吸收強度的下降與TMA的濃度呈良好的線性關系（0-100μM，圖2c）。之后檢測探針熒光強度與TMA濃度的關系。隨著TMA的加入，1080nm附近的熒光發射強度逐漸下降（圖2d）。當TMA的濃度達到3mM時，1080nm處的熒光幾乎被熄滅（圖2e）。與吸收相似，熒光強度的下降也與TMA的濃度表現出良好的線性關系（0-200μM，圖2f）。ZS-1010和TMA的結合動力學也得到了評估。熒光強度在加入TMA后3分鐘達到了平穩狀態，之后一直保持低強度狀態表明 ZS-1010-TMA復合物的熒光是穩定的 (圖3a和3b)。以上結果說明探針可在TMA的作用下發生吸收度減少和熒光淬滅的現象，兩者可在3分鐘后保持穩定結合。

圖3. a) 不同濃度TMA下的ZS-1010吸收光譜變化b）最大吸收波長處的吸收率變化c) ZS-1010的吸收強度與TMA濃度之間的線性關系d）不同濃度TMA下的ZS-1010熒光光譜變化 e) 最大發射波長處的熒光強度變化f) ZS-1010的熒光強度與TMA濃度的線性關系

圖4. a)加入TMA(3mM)不同時間后的熒光光譜b)加入TMA后不同時間的熒光強度

為了探索ZS-1010對TMA的結合機制，文章使用高斯軟件進行了密度泛函理論計算。TMA的HOMO軌道電子能級位于ZS-1010的HOMO軌道和LUMO軌道之間。當ZS-1010被光激發時，熒光分子吸收了光子的能量，HOMO軌道上的電子可以跳到LUMO軌道上。TMA的HOMO軌道上具有給電子能力的電子將被轉移到ZS-1010的HOMO軌道。電子轉移導致LUMO軌道上的激發電子不能回到原來的HOMO軌道，導致ZS-1010的熒光被淬滅。因此，熒光淬滅的機制可以歸結為TMA和ZS-1010之間的光誘導電子轉移（PET）（圖5a）。此外，1H NMR譜也被用來研究ZS-1010對TMA的反應機制。從圖5b可以看出，當加入TMA時，ZS-1010分子的化學位移移到了高場，說明給電子的TMA增加了ZS-1000的電子云密度。

圖5.a）ZS-1010和TMA的軌道能計算b）ZS-1010、TMA和ZS-1010-TMA混合物的1H NMR譜圖

此外，文章研究了ZS-1010對TMA的選擇性和穩定性。對于各種與生物相關的活性物質，包括氨基酸（丙氨酸、谷氨酸、賴氨酸、絲氨酸、纈氨酸）和陰/陽離子 (FeCl3、NaHSO3、MnCl2、NH4Cl、NaBr），在980nm的激發波長下測量ZS-1010的熒光變化，與TMA導致的熒光變化相比較，結果表明只有TMA會導致ZS-1010熒光強度下降，顯示出探針的選擇性（圖5a）。再考察pH對熒光的影響。文章選擇了3、4、5、6、7、8、9作為考察pH值，結果顯示探針本身顯示出良好的pH穩定性，而且ZS-1010對TMA的反應不受環境pH值的影響（圖5b）。上述結果表明，ZS-1010對TMA具有良好的選擇性和穩定性，使得它具備在體外和體內檢測TMA的可能性。