香港科技大学唐本忠院士团队与中科院化学所王树研究员团队合作：基于AIE分子构建一系列荧光传感器阵列用于快速准确鉴定病原菌
来源：聚集诱导发光AIE
病原菌感染严重威胁人类生命健康。全球每年的感染病例高达3亿以上，其中，超过500万人次死于严重的病原菌感染。为了确保有效治疗，首先要对病原菌进行快速、可靠鉴定。因此，迫切需要发展一种简单、准确的检测手段。聚集诱导发光材料（AIEgen），因其“溶解不发光、聚集才发光”的特点，是与生俱来的点亮型荧光染料，同时具有光稳定性好、荧光背景低等优点，可以极大提高检测灵敏度和准确性。
近年来，虽然有报道利用AIEgen构建荧光传感器阵列来检测病原菌，但是其准确性和简便性还无法满足临床要求。因此，如何合理的设计AIEgen来增大每种病原菌特征荧光响应图谱间的差异，实现病原菌的准确检测，同时简化传感器阵列仍然存在很大的挑战。
近日，香港科技大学唐本忠院士团队和中科院化学所王树研究员在《Adv. Funct. Mater》 上发表了题为Engineering Sensor Arrays Using Aggregation-Induced Emission Luminogens for Pathogen Identification 的文章，在此工作中，作者成功构建了一系列简单的AIE荧光传感器阵列，基于多价相互作用实现对常见病原菌的快速准确鉴定。
精细调控AIE分子亲疏水性
在此工作中，作者在四苯乙烯基上以烷氧基链为连接基团引入带有明显疏水性差异的季铵盐，得到一系列具有精确调节亲疏水性的AIE分子TPE-AR，其正辛醇/水分配系数（logP）从3.426 to 6.071，以此来调控AIE分子与病原菌间的多价相互作用，放大病原菌特征荧光响应的差异，实现对病原菌的准确鉴定（图一）。
图一. TPE-ARs构筑的荧光传感器用于病原菌检测示意图
AIE分子多样的聚集行为丰富其与病原菌间的多价相互作用
由于这些AIEgen的亲疏水性存在微妙差异，因此呈现多样的聚集行为，进一步丰富了TPE-AR与病原菌间的多价相互作用。比如，带有较长疏水链（丁基和己基）的AIE分子在临界聚集浓度之前就可以组装形成大的预聚集体（图二）。
图二. TPE-ABu和TPE-AHex形成预聚集体结构
AIE荧光传感器阵列构建原则
由于TPE-AR与病原菌间不同的多价相互作用，7个TPE-AR分子对每种病原菌都可以呈现不同的荧光信号响应。随着TPE-AR分子LogP的增加，7个TPE-ARs可以分为A,B,C三组，其中A组TPE-AR对革兰氏阳性菌和真菌荧光响应强，而对革兰氏阴性菌相对较弱；B组对三类菌呈现相似的荧光响应，且根据荧光响应强度又可以进一步分为B1和B2；C组与A组相反，对革兰氏阴性菌荧光响应强，而对革兰氏阳性菌和真菌相对较弱。在兼顾荧光响应多样性和荧光传感器简单性的前提下，将具有不同荧光响应的三组TPE-AR进行数学优化组合(AB1C,AB2C, AB1B2，B1B2C)，成功构建了14个准确率接近100%的荧光传感器阵列。
图三. TPE-ARs对不同病原菌的荧光响应
AIE荧光传感器阵列识别病原菌
基于TPE-ARs传感器与病原菌间不同的多价相互作用，每个传感器阵列都可以为不同的病原菌提供特征的荧光响应图谱（图四a）。借助数学统计方法识别病原菌的荧光信号，实现对七种病原菌的有效鉴定，甚至可以区分正常菌和耐药菌，准确率接近100％（图四b）。另外，该传感器阵列也同样适用于检测病原菌混合物(图五)。
图四. TPE-ARs传感器通过LDA分析识别不同病原菌
图五. TPE-ARs传感器通过LDA分析识别不同病原菌混合物
本工作通过精细调控AIE活性基团的亲疏水性成功构建了一系列简单准确的荧光传感器阵列。基于多价相互作用，这些荧光传感器阵列能够实现对不同病原体菌的高效鉴定，甚至可以区分正常菌和耐药菌（准确度接近100％）。此外，该传感器阵列具有快速（约0.5小时）、高通量、操作简单和免洗等优点，具有为临床提供及时可靠的病原菌信息的巨大潜力。
这一成果近期发表在Adv. Funct. Mater.上，唐本忠院士和王树研究员为共同通讯作者，周成成博士和博士生许文涵为共同第一作者。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201805986
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