新型细胞内离子纳米传感器的开发

本项目旨在开发一种新型的适用于细胞内、细胞器内离子探测的纳米级传感器。此种纳米离子传感器具有以下特点：1）离子结合常数可调，以适用于不同离子浓度的环境监测；2）具有高度的生物相容性，可以实现在细胞内长时间的实时离子监控；3）可以实现在细胞内、细胞器内进行空间高分辨离子探测；4）在亚细胞级别上突破极小区域离子的多元并行监测；5）单细胞水平可以获取较高信噪比的可靠信号。为了实现包含所有这些特色的新型纳米离子传感器，我们拟利用发光量子点（QDs）的优秀特性，选用阴阳离子的重要代表氯离子（Cl-）和质子（H+）作为示范，通过共价化学连接反应和生物相容性分子的后期修饰，详细研究德拜-休克尔理论对带电纳米颗粒制备的离子传感器中的重要应用，并进而通过这类新型纳米离子传感器在细胞疾病模型中应用，展示其对于临床诊断中由离子平衡紊乱引起的相关疾病的重要指导作用。

本项目在实施过程中，由于在实际操作上的问题以及其中意外发现的有趣现象等原因，结果在基本完成原计划中的研究内容外，还增加了一些新的研究内容。首先，我们按照原计划成功地制备出质子纳米传感器，并将商业质子探针的pKa从中性区域调到中性-碱性区域。期间还意外发现了一个有趣的现象——考马斯亮蓝可在蛋白质的琼脂糖电泳前进行预染，从而对蛋白质与纳米颗粒的相互作用的研究增加了新的、直观而简便的技术手段，在此基础上又利用分子模拟与对接技术对探针分子与蛋白质的相互作用机制进行了尝试性研究。在将离子探针应用于细胞水平的探测时，我们有意外的发现两性高分子聚合物包裹的纳米颗粒与牛血清白蛋白的强烈物理吸附现象，并利用琼脂糖电泳技术可分离出带有确切数目白蛋白分子的单个纳米颗粒；由于物理吸附的简便与可逆性，我们认为这种强力的物理吸附可能具有潜在的研究与应用价值，所以我们进一步利用聚丙烯酰氨凝胶电泳、蛋白质水解酶切、二级质谱以及纳米金属表面能量转移等方法共同研究了蛋白质与纳米颗粒的结合位点——一个105个氨基酸构成的多肽，为了进一步解释如此巨大的一个结合位点，我们提出了一个新颖的“榫卯链接”模型。另外，按照原计划我们还开发出了一些新的离子纳米传感器，比如利用农业秸秆合成的荧光碳点可以达到20%的产率及9%的量子产率，而且具有独特而稳定的光学性质，最后这种“变废为宝”的荧光碳点还被实验例证了其在金属离子检测与生物医学标记方面的潜力。在研究成果方面，直接与本项目相关的研究论文有8篇SCI论文（其中影响因子超过6.5的有2篇）和5篇中文核心杂志论文，期间受此项目间接资助而发表的论文还有6篇SCI论文（其中影响因子超过6.5的有2篇）和4篇中文核心论文；获得1项发明专利的授权；直接资助培养了5名博士研究生和7名硕士研究生；参加了4次国际会议，并自行举办了一次国内专题会议。在项目结题之际，在本项目剩余经费的资助下，我们依然进行着深入的研究工作，比如利用此白蛋白与纳米颗粒的结合位点构建与抗体的融合蛋白，从而开发一种可以将功能纳米颗粒与抗体的简便、高效的链接方法；另外，我们也发现了其它血清中的蛋白质（如纤维蛋白原）也可以与两性高分子聚合物包裹的纳米颗粒发生强烈的物理吸附作用，相关的结合位点与结合机理也正在紧张的研究当中，希望在不远的将来发表在一些档次更高的杂志上。