基于表面增强拉曼光谱的细胞内气体信号分子原位检测新技术

In order to meet the requirement of the study of gaseous signaling molecules in cells, a new in-situ and nondestructive detection method for intracellular gaseous signaling molecules will be developed in this project through preparing a novel kind of surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) nanoprobes and exploiting the advantages of SERS in terms of high selectivity, high sensitivity, resistance to photo leaching, and narrow emission peaks for spectral multiplexing. The project will be performed as follows: firstly, highly SERS-active substrates will be prepared; next, new molecules which can selectively react with NO, CO, and H2S will be synthesized and modified on the surface of the prepared SERS substrates with some advanced technologies such as interface assembling and surface modification; then, with the proposed SERS nanoprobes, a novel in-situ detection method of gaseous signaling molecules in living cells will be established; finally, using the proposed SERS strategy, a number of pathophysiology pathways involving NO, CO, or H2S will be studied..Therefore, the achievements of this project will provide a new train of thought about the preparation of SERS nanoprobes and a novel robust approach for the in-situ nondestructive analysis of the NO, CO, and H2S in living cells. Moreover, the research achievements will provide a foundation for the practical application of the developed in-situ analytical method.

本项目针对细胞内气体信号分子的研究需求，拟通过制备新型高灵敏特异性表面增强拉曼光谱（SERS）纳米探针，克服SERS难以检测无机小分子的局限，利用SERS灵敏度高、抗光漂白、适合多组份分析等优势，研究建立细胞内气体信号分子的原位检测新技术。项目首先制备增强效果好的SERS基底纳米材料，合成具有高SERS活性且能与NO、CO、H2S等气体信号分子发生化学反应的功能分子；进而制备可对三种气体信号分子产生特异性SERS响应并带有内参SERS信号的纳米探针，建立基于SERS的细胞内气体信号分子高精准原位无损检测新技术。在此基础上，将该技术用于细胞内相关生化过程中NO、CO、H2S的监测研究，对其未知生物学效应进行初步探索。项目成果将为细胞内气体信号分子的检测分析提供新的研究思路，为涉及NO、CO、H2S等气体信号分子的生理病理过程研究提供新的分析技术支持，并为其应用开发提供一定的研究基础。

硫化氢（H2S）、一氧化碳（CO）、一氧化氮（NO）等内源性气体信号分子，与心血管疾病、神经退行性疾病等诸多病理生理过程密切相关。本项目针对细胞内H2S、CO、NO等气体信号分子的研究检测需求，开展了特异性气体信号分子表面增强拉曼散射（SERS）纳米探针、气体信号分子SERS检测技术、细胞内相关重要生化过程原位监测等研究工作，建立了基于SERS的细胞内气体信号分子高精准原位检测新技术。研究工作概述如下：.1. 基于H2S、CO、NO等气体信号分子在生理条件下可与叠氮化合物、环钯配合物、邻苯二胺化合物等发生特异性反应的机制，筛选、合成出气体信号分子的SERS活性响应分子，并与高SERS活性纳米颗粒结合，制备出能够对气体信号分子产生高灵敏特异性响应的新型 SERS 纳米探针。.2. 利用所研制SERS纳米探针灵敏度高、选择性好、抗光漂白等优势，研究建立了基于SERS的细胞内气体信号分子高精准原位检测新技术，突破了无机小分子因散射界面小而难以进行SERS检测的技术瓶颈。.3. 采用所建立的SERS检测技术，在单细胞水平上对Cystathionine β-synthase/H2S、Nitric oxide synthase/NO等生化通路进行了跟踪监测研究，探索了相关的信号传导机制。.4. 拓展研究思路，研制出活性氧物种SERS纳米探针，发挥SERS光谱谱带窄、适合多组份同时检测的优点，实现了细胞中HOCl、ONOO-等的分别及同时高灵敏、高选择性检测及成像分析。.项目研究成果在Angew. Chem. Int. Ed.（1篇）、Anal. Chem.（2篇）、Biosens. Bioelectron.（2篇）、Chem. Commun.（1篇）等高水平学术期刊上发表SCI论文15篇，其中IF>5的论文11篇，SCI他引230多次，并多次被Chem. Soc. Rev.等国际权威综述期刊文章原图引用和大段正面评述；申请发明专利2项，授权发明专利1项；获中国分析测试协会科学技术奖特等奖1项（第三完成人）。相关研究成果可为涉及 H2S、CO、NO、HOCl、ONOO- 等信号小分子的重要生化过程研究提供新的分析技术支持，并为其应用开发提供一定的研究基础。