神經(jīng)遞質(zhì)是大腦信息傳遞的關(guān)鍵化學(xué)信使，其濃度失衡與高原病、阿爾茨海默病等疾病引發(fā)的腦功能損傷密切相關(guān)。因此，實(shí)現(xiàn)對(duì)血清等復(fù)雜生物樣本中特定神經(jīng)遞質(zhì)的高靈敏、高選擇性快速檢測(cè)，對(duì)于相關(guān)腦疾病的早期診斷與精準(zhǔn)干預(yù)具有重大意義。目前，由于多巴胺（DA）、去甲腎上腺素（NE）等兒茶酚胺類神經(jīng)遞質(zhì)在分子結(jié)構(gòu)與化學(xué)性質(zhì)上高度相似，在復(fù)雜生物樣本中對(duì)其進(jìn)行精準(zhǔn)區(qū)分檢測(cè)成為生命分析領(lǐng)域面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

針對(duì)上述難題，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所天然藥物與化學(xué)測(cè)量研究中心楊軍麗研究員課題組長(zhǎng)期圍繞功能化硅納米顆粒（Si NPs）的合理設(shè)計(jì)與新型傳感機(jī)制及技術(shù)等方向，開(kāi)展了系統(tǒng)深入的研究并取得系列重要進(jìn)展。

為突破多巴胺（DA）與其結(jié)構(gòu)類似物（如去甲腎上腺素、腎上腺素等）在復(fù)雜生物基質(zhì)中的區(qū)分難題，本研究利用水熱法合成具有良好水溶性且表面富含活性基團(tuán)的熒光Si NPs，并以其為探針，結(jié)合同步熒光光譜分析技術(shù)建立了一種選擇性生物傳感平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)表明，Si NPs與DA產(chǎn)生氫鍵相互作用，在同步熒光光譜上產(chǎn)生特異性單峰響應(yīng)（530 nm）；而去甲腎上腺素與腎上腺素則呈現(xiàn)出雙特征峰（484 nm/530 nm）。該光譜差異實(shí)現(xiàn)了對(duì)DA的高靈敏、快速鑒別，檢測(cè)限可低至 0.22 μM，并成功應(yīng)用于血清樣本的實(shí)際檢測(cè)。相關(guān)成果以“A Synchronous Fluorescence Biosensor Mediated by Hydrogen-Bonding Interaction for Highly Selective Detection of Dopamine”為題發(fā)表在Microchim. Acta.(2025, 191: 105)上。

圖1. A Si NPs的制備示意圖；B 基于Si NPs的DA檢測(cè)示意圖

針對(duì)去甲腎上腺素（NE）在復(fù)雜生物樣本中特異性識(shí)別的難題，研究人員合理設(shè)計(jì)并制備了一種表面修飾氯甲酸芐酯的熒光硅納米顆粒（CBZ-Si NPs）。通過(guò)密度泛函理論（DFT）計(jì)算，預(yù)測(cè)該傳感器可通過(guò)與NE形成獨(dú)特的“六元環(huán)狀氫鍵”實(shí)現(xiàn)特異性結(jié)合。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，CBZ-Si NPs能有效排除NE結(jié)構(gòu)類似物的干擾。進(jìn)一步研究表明，所構(gòu)建的CBZ-Si NPs對(duì)NE的檢測(cè)限低至2.50 nM，線性范圍0.05–1.00 μM（R2=0.9996），在血清樣本檢測(cè)回收率達(dá)90.82%–104.40%。相關(guān)成果以“Benzyl Chloroformate-Functionalized Fluorescent Silica Nanoparticles for Detection of Norepinephrine”為題作為封面文章發(fā)表在ACS Appl.Nano Mater.(2025, 8(48): 22927-22937)上。

圖 2. a：CBZ-Si NPs的制備流程；b：NE的檢測(cè)示意圖；文章封面圖

上述系列研究從“分子設(shè)計(jì)”到“信號(hào)解析”，并結(jié)合理論計(jì)算深入闡明機(jī)制，系統(tǒng)性地攻克了相似神經(jīng)遞質(zhì)的高選擇性高靈敏度檢測(cè)難題，不僅深化了對(duì)納米材料-生物分子相互作用機(jī)制的理解，也為開(kāi)發(fā)腦疾病早期預(yù)警技術(shù)奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。

蘭州化物所和蘭州理工大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)研究生李鈴鈴為以上論文的第一作者，蘭州化物所楊軍麗研究員、張瑛助理研究員和蘭州理工大學(xué)楊愛(ài)梅教授為共同通訊作者。

上述研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院國(guó)際合作項(xiàng)目、甘肅省重大科技專項(xiàng)及蘭州化物所科研項(xiàng)目的支持。