朱志教授课题组通过胶体囊泡实现高通量单分子蛋白分析

厦门大学朱志教授课题组提出了一种基于皮克林乳化的液滴微流控技术，通过调节纳米粒子表面的润湿性及尺寸，纳米粒子可以非常稳定的组装在液相界面，从而获得非常稳定的胶体囊泡。另外，发展了一种易合成的氟化二氧化硅纳米粒子表面活性剂并与液滴微流控技术相结合，高通量地生成单分散性的小体积胶体囊泡，有效解决了液滴之间交叉污染问题，为单分子蛋白质分析提供了一个很好的平台。 

蛋白质是生命功能的执行者，蛋白质的研究对生命的理解具有重要的意义。单分子技术的发展开启了蛋白质分析新方向，与传统的群体研究方法相比，单分子技术的研究可有效揭露分子间的差异性，为科学家们提供更多丰富有效的信息。液滴微流控技术由于具有将靶标分子以单分子水平分隔到上百万个均匀的微反应腔体（nL~fL）的能力，已成为了单分子研究领域的强有力工具。

表面活性剂是液滴微流控技术中能否生成稳定液滴的一个关键因素。但是，目前使用的表面活性剂存在着液滴与液滴之间的交叉污染等问题，这对于后续的准确分析会造成很大的干扰。虽然已报道的一些方法可以减缓这一现象，如使用氟油作为连续相，但是由于胶束增溶效应的存在，这一问题并没有得到根本性解决。因此，亟需一种新的策略来解决这一问题。

厦门大学朱志教授课题组提出了一种基于皮克林乳化的液滴微流控技术用于单分子蛋白分析。皮克林乳化液滴，是一种通过纳米粒子自组装紧密堆积在液相界面形成的胶体囊泡（colloidosome）。通过调节纳米粒子表面的润湿性及尺寸，纳米粒子可以非常稳定的组装在液相界面，从而获得非常稳定的胶体囊泡。另外，由于分散在连续相中的纳米粒子不易形成胶束，解决了由胶束带来的增溶效应，为解决液滴与液滴之间的交叉污染提供了一个良好的思路。基于此，发展了一种易合成的氟化二氧化硅纳米粒子（F-SiO₂ NPs）表面活性剂并与液滴微流控技术相结合，高通量地生成单分散性的小体积胶体囊泡，有效解决了液滴之间交叉污染问题，为单分子蛋白质分析提供了一个很好的平台。

图1 基于皮克林乳化的液滴微流控技术用于单分子蛋白的分析

通过对比F-SiO₂ NPs与液滴微流控中常用的表面活性剂EA，证明F-SiO₂ NPs生成的胶体囊泡能够更加有效的阻隔内容物泄露，防止数字化检测时假阳性信号产生，保证结果的准确性。获得液滴优化直径（18 µm）后，通过对胶体囊泡内β-半乳糖苷酶催化荧光底物的显色反应进行原位实时荧光观察，分析了不同酶分子的催化动力学，实现不同酶分子催化活性的异质性分析。此外，通过将单分子水平的β-半乳糖苷酶包裹在胶体囊泡中，实现β-半乳糖苷酶的数字化检测。作为一种可靠且准确的方法，基于胶体囊泡的液滴微流控技术在高通量定向酶进化、抗生素筛选和数字蛋白质检测等方面具有巨大潜力。

该成果以“Crosstalk-free Colloidosomes for High Throughput Single-molecule Protein Analysis”为题，最新在线发表于Science China Chemistry上（doi：10.1007/s11426-020-9818-9）。该文将被收录于Sci. China Chem. 2020 Emerging Investigator Issue。

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作者简介

朱志，厦门大学化学化工学院教授，博士生导师。2006年于北京大学获得学士学位，2011年于美国佛罗里达大学获得博士学位。2011年-2015于厦门大学任职讲师、副教授，2015-至今于厦门大学任职教授。先后获得国家基金委优秀青年科学基金（2014）、福建省青年拔尖创新人才（2016）、中国化学会青年化学奖（2016）、教育部2018年度“长江学者奖励计划”青年学者。现任Nature 集团刊物《Scientific Reports》编委，《中国科学：化学》、《中国化学快报》和《分析测试学报》青年编委，《高等学校化学学报》和《Chemical Research in Chinese Universities》青年执行编委，中国分析测试协会青年学术委员会委员及中国化学会青年化学工作者委员会委员。近年来一直从事生物分析化学的研究，在信号放大、分子探针设计、微纳器件构建、疾病早期诊断以及便携即时检测等方面取得了系列创新性成果。在国际高水平刊物发表论文150余篇，包括Science、Acc. Chem. Res.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Anal. Chem.等，获中国发明专利授权27项，主持多项国家自然科学基金。