近紅外二區(qū)NIR-II熒光探針基于分子間電荷轉(zhuǎn)移用于檢測三甲胺的應(yīng)用

本文要點：三甲胺（TMA）作為一種人類腸道微生物群的代謝產(chǎn)物，已經(jīng)吸引了越來越多醫(yī)學(xué)研究人員的關(guān)注。在肝臟中，TMA可以進(jìn)一步氧化成三甲胺氧化物（TMAO），此物質(zhì)是人類心血管疾病、慢性腎臟疾病、糖尿病、癌癥等疾病發(fā)病的重要風(fēng)險因子。因此，迫切需要開發(fā)有效的檢測方法來監(jiān)測TMA，以進(jìn)行疾病預(yù)測和診斷。本文開發(fā)出一種基于分子間電荷轉(zhuǎn)移的新型有機(jī)NIR-II熒光分子ZS-1010，可作為近紅外二區(qū)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(fā)射波長均位于近紅外-II區(qū)。當(dāng)與具有強(qiáng)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(dǎo)致熒光的熄滅，指示TMA的存在。這是NIR-II區(qū)中TMA熒光探針的一個例子，顯示出滲透深、響應(yīng)快、選擇性高和對pH穩(wěn)定的優(yōu)勢。近紅外二區(qū)活體成像系統(tǒng) - MARS

圖1. TMA與探針相互作用

ZS-1010的主要吸收峰在1010nm左右，當(dāng)被980nm的光激發(fā)時，在1080納米的近紅外II區(qū)有強(qiáng)烈的熒光發(fā)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(shù)和熒光量子產(chǎn)率。

圖2. ZS-1010的吸收發(fā)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(qiáng)度逐漸減弱，顏色從藍(lán)色變?yōu)榧t色 (圖2a)。此外，吸收強(qiáng)度的下降與TMA的濃度呈良好的線性關(guān)系（0-100μM，圖2c）。之后檢測探針熒光強(qiáng)度與TMA濃度的關(guān)系。隨著TMA的加入，1080nm附近的熒光發(fā)射強(qiáng)度逐漸下降（圖2d）。當(dāng)TMA的濃度達(dá)到3mM時，1080nm處的熒光幾乎被熄滅（圖2e）。與吸收相似，熒光強(qiáng)度的下降也與TMA的濃度表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系（0-200μM，圖2f）。ZS-1010和TMA的結(jié)合動力學(xué)也得到了評估。熒光強(qiáng)度在加入TMA后3分鐘達(dá)到了平穩(wěn)狀態(tài)，之后一直保持低強(qiáng)度狀態(tài)表明 ZS-1010-TMA復(fù)合物的熒光是穩(wěn)定的 (圖3a和3b)。以上結(jié)果說明探針可在TMA的作用下發(fā)生吸收度減少和熒光淬滅的現(xiàn)象，兩者可在3分鐘后保持穩(wěn)定結(jié)合。

圖3. a) 不同濃度TMA下的ZS-1010吸收光譜變化 b）zui da 吸收波長處的吸收率變化 c) ZS-1010的吸收強(qiáng)度與TMA濃度之間的線性關(guān)系 d）不同濃度TMA下的ZS-1010熒光光譜變化 e) zui da 發(fā)射波長處的熒光強(qiáng)度變化 f) ZS-1010的熒光強(qiáng)度與TMA濃度的線性關(guān)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(qiáng)度

為了探索ZS-1010對TMA的結(jié)合機(jī)制，文章使用高斯軟件進(jìn)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(dāng)ZS-1010被光激發(fā)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(zhuǎn)移到ZS-1010的HOMO軌道。電子轉(zhuǎn)移導(dǎo)致LUMO軌道上的激發(fā)電子不能回到原來的HOMO軌道，導(dǎo)致ZS-1010的熒光被淬滅。因此，熒光淬滅的機(jī)制可以歸結(jié)為TMA和ZS-1010之間的光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移（PET）（圖5a）。此外，1H NMR譜也被用來研究ZS-1010對TMA的反應(yīng)機(jī)制。從圖5b可以看出，當(dāng)加入TMA時，ZS-1010分子的化學(xué)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(wěn)定性。對于各種與生物相關(guān)的活性物質(zhì)，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(fā)波長下測量ZS-1010的熒光變化，與TMA導(dǎo)致的熒光變化相比較，結(jié)果表明只有TMA會導(dǎo)致ZS-1010熒光強(qiáng)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(jié)果顯示探針本身顯示出良好的pH穩(wěn)定性，而且ZS-1010對TMA的反應(yīng)不受環(huán)境pH值的影響（圖5b）。上述結(jié)果表明，ZS-1010對TMA具有良好的選擇性和穩(wěn)定性，使得它具備在體外和體內(nèi)檢測TMA的可能性。

圖6. a) ZS-1010(20 μM)經(jīng)丙氨酸、谷氨酸、賴氨酸、絲氨酸、纈氨酸、FeCl3、NaHSO3、MnCl2、NH4Cl、NaBr、TMA處理后的熒光變化（分別為3mM）b）ZS-1010的pH穩(wěn)定性（紅色柱形代表不含TMA的熒光強(qiáng)度，藍(lán)色柱形代表加入TMA后的熒光強(qiáng)度）

綜上所述，文章開發(fā)了一種新的有機(jī)近紅外二代熒光分子（ZS-1010）用于檢測三甲胺（TMA）。它在近紅外二區(qū)具有強(qiáng)大的吸收發(fā)射，當(dāng)與TMA混合時，探針的電子分布受到影響，導(dǎo)致熒光的淬滅。探針具有快速反應(yīng)速度、高選擇性和pH穩(wěn)定性。它可以為TMA有關(guān)的疾病提供診斷上的幫助。

參考文獻(xiàn)

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近紅外二區(qū)小動物活體熒光成像系統(tǒng) - MARS 

NIR-II in vivo imaging system

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