Ru(phen)₂Cl₂聚集诱导电化学发光体系识别核酸

来源：ACS美国化学会

英文原题：Aggregation-Induced Electrochemiluminescence of the Dichlorobis(1,10-phenanthroline)ruthenium(II) (Ru(phen)₂Cl₂)/Tri-n-propylamine (TPrA) System in H₂O–MeCN Mixtures for Identification of Nucleic Acids

通讯作者：鲁理平，北京工业大学；Wujian Miao，The University of Southern Mississippi；汪夏燕，北京工业大学

作者：Liping Lu (鲁理平)，Linlin Zhang (张霖琳)，Wujian Miao，Xiayan Wang (汪夏燕)，Guangsheng Guo (郭广生)

北京工业大学环境与能源工程学院的鲁理平教授、汪夏燕教授与美国南密西西比大学Wujian Miao教授团队合作，将具有电化学发光性质的钌配合物与聚集诱导发光相结合，研究了一种钌配合物(Ru(phen)2Cl2)的聚集诱导电化学发光(AIECL)现象，并由此设计了一种核酸识别体系。相关研究结果近期以封面文章发表在Analytical Chemistry期刊上。

与DNA相比，除了核糖体RNA、转运RNA和信使RNA等具有经典作用的 RNA 外，生物体内存在更多种类的 RNA，比如具有储存信息、调节基因表达或具有酶作用RNA，所以分析、识别RNA对研究生命过程和临床医疗都具有重要意义。利用具有发光性质的金属配合物识别核酸或对细胞特异性成像已显现出独特的优势。

自2001年唐本忠教授等人发现一系列噻咯衍生物具有聚集诱导发光(AIE)效应以来，AIE 在细胞成像、核酸检测和金属离子检测等方面显示出特有的分析潜能。电化学发光(ECL)是将电化学与光谱学相结合的分析技术，在分析应用中具有其独特的优势。与荧光技术相比，ECL不受光漂白、光散射干扰，背景影响极低。在 2017 年De Cola组首次将基于荧光(Fluorescence，简称FL)的 AIE 技术扩展到电化学发光(ECL)领域，并将其命名为聚集诱导电化学发光(AIECL)。

该工作将具有ECL性质的钌配合物和聚集诱导发光结合起来，研究了 Ru(phen)2Cl2的聚集诱导电化学发光(AIECL)现象。结果表明，在 H2O-MeCN混合溶液中，当 H2O 与 MeCN 体积比(fw)在 0-70%的范围内时，随着H2O 的逐渐加入，Ru(phen)2Cl2的荧光强度逐渐增加，最高FL信号增强约6倍。以10 mM三正丙胺(TPrA)作为共反应剂的ECL 体系中，当 H2O/MeCN 体积比fw=70%时， AIECL 信号增强达到约110 倍。可见，Ru(phen)2Cl2在AIECL体系中具有比AIE更高的发光效率与更灵敏的发光环境。其中关键的原因是Ru(phen)2Cl2纳米颗粒与TPrA分子在较高的H2O比例溶液中比纯MeCN溶液中更容易发生电化学氧化还原过程。

Figure 1. (a) ECL intensity vs electrodepotential profiles of the Ru(phen)2Cl2 (50 µM)/TPrA (10mM) system in various H2O-MeCN mixtures containing 0.10 M LiClO4 on a glassy carbon electrode at a scan rate of 0.10 V/s. (Inset: ECL peak intensity change as a function of H2O fraction in MeCN (v%, fw). (b) ECL of the Ru(phen)2Cl2 (50 µM)/TPrA (10 mM) system (top) and CV of Ru(phen)2Cl2 (50 µM) (bottom) in 70% (v/v) H2O-MeCN mixture containing 0.10 M LiClO4. (Inset: ECL peak potential changeas a function of H2O fraction in MeCN (v%, fw). All ECL data were measured with a PMT biased at 400 V.

Ru(phen)2Cl2与不同类型的核酸相结合后体系显示出更显著的ECL信号增强，且信号差别足以用来识别不同类型的核酸。不同Ru(phen)2Cl2-核酸的ECL强度排序为RNA>>ssDNA-1>dsDNA。其主要的原因是加入dsDNA、ssDNA-1和RNA后，溶液的疏水性增强，体系极性发生变化，发生诱导聚集生成不同粒径和结构的Ru(phen)2Cl2-核酸纳米颗粒。对于 Ru(phen)2Cl2-RNA体系，一方面RNA骨架中的五碳糖为核糖，DNA骨架中的五碳糖为脱氧核糖，在结构中脱氧核糖比核糖少一个具有亲水性的羟基基团，RNA 溶液的极性高于ssDNA-1或dsDNA溶液极性，所以Ru(phen)2Cl2-RNA的ECL强度最高；另一方面，小分子更易于与RNA结合，更多的发光物质与RNA结合，增强了体系ECL信号。并进一步讨论了A、T、C、G、U不同碱基对体系ECL信号强度的影响。

Figure 2. SEM (a) and TEM images (b) of nano-aggregates formed in 70% (v/v) H2O-MeCN mixture containing 50 µM Ru(phen)2Cl2. DLS data showing the clusters of nanoparticles from 50 µM Ru(phen)2Cl2 in (c) 30% (v/v) and (d) 70% (v/v) of H2O-MeCN mixture, respectively.

诱导聚集产生的纳米颗粒形貌和粒径分布利用SEM、TEM和 DLS进行了考察。Ru(phen)2Cl2纳米颗粒是随着体系极性等因素的变化而逐渐形成的。这种 Ru(phen)2Cl2的 AIECL 现象不仅可以用来区分RNA和DNA，还可以用来区分不同的miRNAs。本研究为识别各种核酸开辟了一条新的途径，在分子传感器、生物成像探针、细胞特异性成像和肿瘤检测等众多研究领域具有重要意义。