生物传感及光谱成像(上)：深究机理单分子检测成趋势

    2023年7月16日，第22届全国分子光谱学术会议暨2023年光谱年会召开的第二天，在生物传感及光谱成像专场的上午半场，专家们带来单分子检测、生物酶传感器、化学修饰、手性检测等领域的精彩报告。

中山大学欧阳钢锋教授

    中山大学的欧阳钢锋教授做“多孔晶态框架限域的级联催化应用于生物传感”的报告。设计合适的载体固定酶，是提高酶稳定性的重要策略，包括表面固定、渗透固定、原位封装等。在MOFs限域的生物级联方面，中山大学酶@ZIF-8级联传感器基础上，课题组设计了类金属巯基蛋白结构，而其有酶促发ZIF-8快速成核及缓慢共沉淀机制，进行蛋白质表面改性后再次提升活性，在结构研究中用Cyro-EM+IDPC（积分差分相位衬度成像）法表征，当加入聚多肽-聚谷氨酸结构后，将形貌从三维改为二维提升活性，可设计不同传感器。课题组还设计氢键生物杂交框架做成HOFs限域的生物级联传感器，并精准调控HOF盔甲的窗口尺寸增强特异性。未来将在环境催化、降解，以及酶级联纳米荧光探针方面开展更多研究。

东南大学张春阳教授

    东南大学张春阳教授做“ RNA 生物标志物的超灵敏检测研究进展” 的报告。单分子检测可降低样品用量，如只用10^-15L取样，信噪比更高、选择性更好、线性范围更宽。课题组搭建了超分辨系统，如发展了多色荧光编码用于microRNA单分子检测，基于荧光能量转移原理发展了无酶催化的单分子量子点microRNA纳米传感器。上述方法均与临床荧光定量PCR标准比较。该方法还可进行细胞内成像，在细胞内成像时，课题组发现加入碱基错配探针，可大幅提高反应速度，提高成像效果。非编码长链RNAs难以检测，课题组用置换思路发展了无酶的检测方法，具有特异性和单细胞检测灵敏度。

四川大学吕弋教授 

    四川大学吕弋教授做“气固界面催化发光传感研究” 的报告。气体传感希望高灵敏度高选择性，课题组研究气-固界面上的催化氧化过程并构建新型传感器。利用稀土元素构建了ETCTL利用能量转移化学发光传感器，如将Tb³⁺/Eu³⁺掺杂到材料中，研究了其反应机理，并用于环境、半导体等应用。还构建时间分辨的化学发光传感器（TRCTL），能量辅助的催化发光传感器（EACTL），如UV光辅助提升CO传感器选择性，PDINH等。课题组围绕分子在界面上的催化发光构建了多种传感器器件，用于半导体中痕量杂质气体的检测等。

安捷伦科技（中国） 有限公司应用工程师王晶晶 

    安捷伦科技应用工程师王晶晶做“无处不在的UV-Vis ：从生化研究到材料表征”的报告，首先介绍紫外可见近红外分光光度计的原理和各波段的应用。在液体方面，可进行定性并更多用于定量分析，如用Cary 3500/Cary 60测试核酸蛋白浓度/纯度，最低到10 uL；用具有空冷及40℃/min升温速率的Cary 3500测定DNA变性温度Tm，检测酶活性。用Cary 60及光纤附件可对样品进行原位分析测试。在固体样品方面，使用Cary 4000/5000/6000/7000，配备三光源、双单色器，并举例了利用积分球、UMA附件等测定太阳能电池性能、滤光片、原位测试催化剂性能等应用。

陕西师范大学刘成辉教授

    陕西师范大学刘成辉教授做“单颗粒分析与数字式生物传感”的报告，首先回顾了单分子检测如dd-PCR检测DNA，Simoa检测蛋白等。课题组前期利用流式微球检测，进行多维度信息读取，因此发展了数字式流式微球检测技术进行单分子计数。设计了基于单分子延申扩增机制的数字式流式微球体系，实现了核酸分子、免疫及囊泡的数字式分析。后设计单颗粒表面限域运动的数字式DNA Walker体系，基于T4 PNK自身限域运动特性的数字式分析体系，灵敏度非常高，据此构建普适性方法；还构建单微球为载体的生化分析体系，基于微流控的自动化单微球操控系统（AMIA）。小结来看，课题组突破了常规数字式分析必须依赖封闭式微反应室的制约，发展了基于单颗粒表面单分子扩增、单分子限域反应等机制的数字式定量新思路，开创了单微球微载体的生化分析体系，实现了单微球操控的自动化和器件化，为面向液体活检的核酸及蛋白分子精确定量提供了新思路。

中国科学院生态研究所汪海林研究员 

    中国科学院生态研究所汪海林研究员做“DNA 化学修饰精准分析与表观遗传研究”的报告。首先介绍了50个细胞DNA修饰的LC-MS分析，课题组发展的DNA N6-甲基腺嘌呤精确分析法，为机器学习辅助单分子定量提供了准确的标尺，已广泛用于表观遗传学、病理学、毒理学等研究并产生重要科学影响。进一步研究DNA N6-甲基腺嘌呤修饰（6mA），将DNA甲基化拓展到胞嘧啶和腺嘌呤，发现其可作为胶质瘤中的潜在标志物，DNA 6mA丰度与胶质母细胞瘤病人的预后有关。全基因组DNA修饰测序方面，研究了6mA超亲体蛋白质的人工进化，获得109个突变的高容量突变文库，并进行了哺乳动物DNA 6mA的全基因组测序。

北京大学化学与分子工程学院赵美萍教授 

    北京大学化学与分子工程学院赵美萍教授做“单分子荧光法研究Lambda核酸外切酶与底物 DNA 间的相互作用”的报告。首先介绍研究的背景和可能的机理，比如λ外切酶如何识别和结合不同的DNA末端。课题组发展了单分子荧光方法，首先用基于全内反射荧光显微镜（TIRF）的smFRET，来研究识别和结合过程，发展了λ exo的多功能联用实现dsDNA突变的程序化自动检测，用均相荧光分析法快速测定基因组中缺碱基位点的整体水平。其次研究λ exo的纳米孔通道如何识别DNA结构的变化，利用硫代修饰定位DNA链中磷酸骨架修饰（磷硫酰化）位点。然后研究λ exo是否能通过开三聚体与DNA结合和解离，定点标记λ exo的三个亚基后，直接观测到纳米孔的打开。用linker将酶改造为纳米孔的共价成环，用LC-MS研究linked-λ exo的酶切行为，发现了单碱基差异化片段。总结来看，课题组构建了套索式分子探针实现活细胞内应用，定点突变或化学修饰纳米孔内氨基酸残基，增加对碱基变化的敏感性和过孔速率的调控能力，探索酶切过程中蛋白和DNA分子构象的连续动态变化。

堀场（中国） 贸易有限公司应用工程师任婉情                    

    堀场公司应用工程师任婉情做“分子荧光光谱及热点应用解决方案”的报告，简介了荧光表征技术后，介绍荧光探针的应用如近红外一区检测器的区别；浓度定量及动力学研究中，堀场的动力学测试支持自动光漂白保护，校正内滤效应增强定量性能。荧光成像应用中，在近红外至中红外发光中堀场检测器范围宽，可液氮制冷InGaAs等检测器。在发光效率应用测定绝对量子产率方面，堀场设备具有高反射率、大尺寸等特点；在相对量子产率方面具有吸收荧光同步测试、内滤效应校正等特点。此外介绍了长余辉应用，室温磷光应用、太阳能电池、实时FLIM方面的应用。

华中农业大学韩鹤友教授   

    华中农业大学韩鹤友教授做“面向狂犬病的纳米诊疗技术“的报告。首先介绍狂犬病病毒及危害、致病机理。中国是受狂犬病危害最严重的国家之一，发病率居世界第二，世卫组织将9月28日定为狂犬病日。课题组建立了2种双模式快速检测狂犬病毒的新方法，用量子点传感器双模式法（试纸条、荧光法）快速检测狂犬病毒核蛋白，免疫传感器双模式法（ECL/EC）快速检测狂犬病毒糖蛋白，并进行脑组织中病毒含量检测。在治疗方面，探索纳米光热法用于活性小鼠感染狂犬病病毒的治疗，效果良好；研制缓释型微针纳米疫苗用于活性小鼠抗狂犬病毒免疫，效果良好。  

吉林大学马强教授

    吉林大学马强教授做“表面增强电化学发光方法的研究及医学诊断应用“的报告。课题组结合SPC-ECL（表面等离激光耦合-电化学发光），来增强信号。课题组发展具有高检测灵敏度和偏振角度分辨特点的SPC-ELC，分别介绍了：基于纳米粒子单元Au NPs的SPC-ELC研究；基于图案化结构的SPC-ECL研究；基于三维结构的SPC-ECL研究。

 四川大学袁晨副教授

    四川大学袁晨博士做“新型结晶多孔材料的设计构筑及其⼿性荧光传感性能研究“的报告。手性识别与分离中，开发特异荧光探针是当前有效手段。开发手性功能前驱体、手性结晶多孔材料是热点。课题组设计合成了手性冠醚骨架COF，并开展手性荧光传感研究。发展手性有序大孔MOF薄膜荧光传感器。小结来看，课题组将手性结晶多孔材料用于手性识别与光谱传感，具有优势包括：高稳定性、丰富的手性作用位点、开放有序的多孔结构、孔道环境易调控、结构清楚，易于手性光谱的机理研究。