【分析】共轭分子线反向调控导电二维MOF纳米界面用于鼠脑中痕量多巴胺的在体分析- 大数跨境

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2023-02-09

导读：华东师范大学田阳教授团队创建了一种共轭分子线反向调控二维导电MOF纳米界面的传感策略，实现了鼠脑中DA的高灵敏和高选择性检测。

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

神经递质是维持大脑活动和功能稳态的重要分子。多巴胺（Dopamine，DA）作为儿茶酚胺神经递质中的明星分子，在动作、情绪和认知等诸多生理事件中发挥重要的作用。异常的DA水平与中风、帕金森病和阿尔茨海默病等神经系统疾病的发生密切相关。因此，从活体原位获取脑中多巴胺的化学信息，对于解析DA在脑功能中的分子机制至关重要。然而，脑中多巴胺的含量低至纳摩尔，分子结构和去甲肾上腺素和肾上腺素分子高度相似，氧化还原信号受脑中共存电活性物质干扰严重。因此，如何实现对脑中微量DA的高效检测，仍然是一项具有挑战性的工作。

图1. 导电MOF修饰的电化学界面的构建及形貌表征。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

针对上述挑战，华东师范大学田阳教授团队创建了一种共轭分子线反向调控二维导电MOF纳米界面的传感策略，实现了鼠脑中DA的高灵敏和高选择性检测。一方面，修饰MOF于金纳米叶功能化电极表面作为电子传导器，为电极表面神经化学物质的电子转移提供丰富的电催化位点，显著提高了检测的灵敏度（图1）；另一方面，合理设计并优化了共轭分子线4-(噻吩-3-乙基)-苯甲醛（RP1），桥联于MOF和纳米金表面之间，特异性降低DA氧化反应的吉布斯自由能，高效介导DA从MOF层向电极表面的长程电子转移（图2）。这种反向调控纳米材料的策略，避免了常规传感体系采用分子探针调控纳米材料外层表面时，不可控减少界面活性位点的不足，提供了一种智能调控材料界面的新途径。该传感器对DA测定选择性高，在0.004 ~ 0.4 μM范围内具有良好的线性关系，检测限低至1 nM。结合微电极技术，该微传感成功追踪了急性和亚急性帕金森病（PD）模型鼠脑内DA的含量变化（图3）。研究发现：在急性和亚急性PD模型中DA水平均明显降低，且DA水平和尿酸含量存在双向依存性。当鼠体注射尿酸含量低于200 mg kg⁻¹时，DA含量呈现上升趋势；当尿酸含量继续升高，DA含量回调。该工作不但提供了一种新型的分子调控界面功能的方法，而且为脑中化学物质的实时活体分析提供了新的研究工具。

图2. 不通分子线介导的MOF界面上DA的电化学氧化还原行为。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

图3. 电化学界面追踪帕金森模型鼠脑中多巴胺的含量变化。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

相关研究成果发表在Journal of the American Chemical Society 上，论文的共同第一作者为华东师范大学的博士生王越和硕士研究生钱银洁，共同通讯作者为华东师范大学田阳教授、张立敏教授和何晓教授。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Conductive Metal−Organic Framework Microelectrodes Regulated by Conjugated Molecular Wires for Monitoring of Dopamine in the Mouse Brain

Yue Wang, Yinjie Qian, Limin Zhang, Zhihui Zhang, Shiwei Chen, Jinfeng Liu, Xiao He, and Yang Tian

J. Am. Chem. Soc., 2023, 145, 2118–2126, DOI: 10.1021/jacs.2c07053

田阳教授简介

华东师范大学特聘教授，博士生导师。致力于活体脑与细胞内化学信号分子生物成像、原位传感的研究，在脑神经化学物质的定性定量分析、自由移动动物脑的快速、灵敏成像等方面做出了系统的创新性研究工作。获得国家杰出青年基金的资助，入选国家百千万人才工程、教育部新世纪人才计划、上海市优秀学术带头人、上海市领军人才、宝钢优秀教师奖等。2011年获中国分析测试协会科学技术奖一等奖；2013年获得日本化学会“The Distinguished Lectureship Award”；2015年获得中国化学会女分析化学家奖；2018年获得上海市自然科学一等奖。目前已发表通讯作者文章170余篇，含Sci. Adv., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Acc. Chem. Res., Chem. Soc. Rev.等，他引1万余次，获授权中国发明专利8项。现任英国皇家化学会期刊Chemical Communications 副主编和《高等化学学报》杂志副主编。

https://www.x-mol.com/university/faculty/49547

张立敏教授简介

华东师范大学化学与分子工程学院教授，博士生导师。研究领域为电化学传感、非电活性电化学分析，及液/液界面分析化学研究。近年来围绕非电活性物质活体分析的关键科学问题，通过筛选或合成特异性探针，率先搭建了基于液/液界面的电化学及SERS活体分析平台，发展了一系列脑中化学物质的活体分析新方法。迄今在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Acc. Chem. Res., Anal. Chem.等发表系列研究论文50余篇，应邀在神经科学类系列英文丛书撰写章节；2018获得了上海市自然科学奖一等奖，2020年获得国家优秀青年科学基金支持。

https://www.x-mol.com/university/faculty/49548

何晓教授简介

华东师范大学化学与分子工程学院教授，博士生导师，华东师范大学“紫江优秀青年学者”。主要从事理论与计算化学领域的研究。相关领域发表SCI论文100余篇，包括Nat. Commun., PNAS, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Acc. Chem. Res.等。2019年获得“国家优秀青年基金”资助与中国化学会“唐敖庆理论化学青年奖”。现任中国化学会计算(机)化学专业委员会委员，北京理化分析测试技术学会光谱分会红外光谱专业委员会委员。2022年其担任J. Chem. Inf. Model.期刊的Editorial Advisory Board Member。

https://www.x-mol.com/university/faculty/172473

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：我们课题组一直致力于发展高效的脑研究工具，用于脑内重要的化学物质的分析，探究其在生理病理过程中的作用机制。迄今已发展了系列高选择性、高灵敏度的活体电化学分析方法 (Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 14429; Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 20499; Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 132, 10512; Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 131, 14086; Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 16328)。神经递质作为大脑功能的调节信使，受到了越来越多的关注，其含量的精确测定对研究其生理病理作用具有重大意义。然而，神经递质在脑中含量极低，且神经递质的分子结构相似，对精确测定提出了更高的要求。因此，我们的目标就是挑战这一难点，开发一种脑中神经化学物质精准测量的电化学传感器。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：该研究中的挑战主要体现在两点：一是DA的氧化还原过程受到脑内共存的电活性物质的严重干扰，如结构高度相似的去甲肾上腺素和肾上腺素，以及一些电活性物质如抗坏血酸的影响。另一方面，脑内DA的含量相当低，低至纳摩尔水平，比大脑中的电活性干扰物低2到4个数量级。因此如何合理地设计探针分子，确保鼠脑分析中传感的高选择性、高灵敏度、高准确度存在巨大挑战。更重要的是，这项研究涉及多学科交叉，需要分子设计、有机合成、传感设计、病理模型构建等多方面知识的储备，而我们的团队在前期的研究中积累了分子设计合成、界面定性定量调控以及活体分析平台搭建的丰富经验，为课题的顺利开展奠定了良好的基础。

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