随着生物技术的迅猛发展，实时、原位监测生物过程在推动科学创新和技术进步中发挥着关键作用。新兴的检测技术不仅深化了我们对复杂生物过程的理解，促进了工艺优化和质量控制，还为跨学科应用奠定了坚实基础。尽管对生物机制、代谢途径和药物毒性效应的分子层面研究至关重要，传统监测手段在面对复杂生物基质和结构相似的分析物时，常常受限于灵敏度和分辨率，影响了检测结果的准确性。将19F核磁共振与化学传感策略相结合，能够有效减少背景干扰，显著提升检测灵敏度，为生物代谢小分子的高效分析提供创新性解决方案。
中国科学院有机化学研究所赵延川研究团队长期致力于含氟核磁共振探针及相关检测技术的研发 (Chem. Rev.2019,119, 195;Chem. Rec. 2023,e202300031)。团队发展了识别赋能色谱核磁检测方法 (Recognition-Enabled Chromatographic NMR)，基于含氟探针与分析物动态相互作用产生的特征性氟谱信号，与分析物一一对应。这一检测方法不仅可以用于高灵敏度复杂体系原位分析检测 (Anal. Chem.2021,93,2968;Anal. Chem.2022,94,8024;Anal. Chem. 2024,96,6463),也可以用于手性醇、胺、羧酸、腈等化合物的对映体组成分析及绝对构型判定 (Cell Rep. Phys. Sci.2020,1,100100;JACS Au 2023,3,1348;Anal. Chem. 2024, 96,730;Anal. Chem. 2024,96,1144;Anal. Chem. 2024,96,13551)。
近日，该团队开发了一种新型自组装19F标记核磁探针用于生物代谢小分析的实时分析检测，相关研究发表于Angew. Chem. Int. Ed. (DOI: 10.1002/anie.202417112)。这种探针能够与核苷酸等小分子结合，触发探针的解聚集过程进而激活19F核磁共振信号，同时产生对应于每种分析物的独特信号指纹，从而实现多种分析物的同时精确识别与检测。这项技术为生物机制研究、酶动力学分析、药物筛选及疾病诊断等领域提供了新的原位检测方法。
图1. 智能自组装含氟探针检测小分子生物代谢物
以ATP水解酶Apyrase活性的检测为例，当探针与ATP、ADP和AMP结合时，将产生与各分析物对应的独特19F NMR信号。这些信号的强度变化能够精确追踪ATP在Apyrase催化下的逐步水解过程。具体表现为，随着反应的进行，ATP信号逐渐减弱，而ADP信号先是增强然后减弱，AMP信号则持续增强。此外，通过对不同来源的Apyrase样品进行检测，该系统能够区分其ATPase与ADPase的活性，从而证实该技术在酶活性评估及质量控制中的应用价值。这种19F标记的探针为酶促反应的实时监测提供了一种高效工具，不仅能精确评估酶活性，还适用于药物筛选。随着此技术的进一步普及与应用，其将在疾病诊断和生物技术领域发挥更大的作用。
图2. 利用含氟探针原位检测ATP水解过程
上海有机所赵延川课题组的徐振创博士、王晨阳硕士、何胜源硕士为该论文的共同第一作者，赵延川研究员为通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金和中国科学院上海有机化学研究所先进氟氮材料重点实验室的经费支持。
