新研究：肽聚糖靶向的碳量子点对革兰氏阳性菌的持续跟踪和快速鉴别

来源：高分子科学前沿

革兰氏阳性菌作为微生物系统中重要的组成部分，已被发现与肿瘤、阿尔兹海默症等多种重大疾病密切相关，对人类健康造成了严峻的挑战。迄今为止，应用于革兰氏阳性菌检测的方法有很多，如革兰氏染色法、表面增强拉曼光谱法、免疫技术、核酸检测和聚合酶链式反应等，其中革兰氏染色法作为革兰氏菌检测的黄金标准而被广泛采用，然而该方法却具有染色过程过于复杂，且要求细菌的固定（会导致细菌死亡）和较高的实验技能等缺点。因此，开发一种高效便捷的检测方法来鉴别革兰氏阳性菌，对于疾病的诊断和治疗具有重要的意义。基于荧光显微镜的检测方法具有较高的易用性和高分辨率，被认为是革兰氏细菌检测的优选方法之一。该方法要求使用具有特异性选择的荧光探针，而目前所广泛使用的小分子荧光探针光具有稳定性较差、毒性高且成本较高，进而被限制了该方法进一步的应用。

针对上述问题，西北工业大学化学胡小玲教授和第四军医大学吴红教授合作首次使用葡萄糖和氨基酸设计合成了一种新型的具有特异性识别革兰氏阳性菌的荧光碳量子点（T-SCQDs）。实验证明，所制备的T-SCQDs具有优异的物理化学稳定性和三激发单发射的发光特征，可用于对革兰氏阳性菌进行快速选择性识别和长效荧光追踪。检测速度最低可达5 min，而追踪时长可达24 h。进一步研究发现, T-SCQDs表面丰富的官能团对肽聚糖具有高效的亲和性，而革兰氏阳性细菌的肽聚糖含量较大且处于细胞壁的外层，革兰氏阴性细菌的肽聚糖含量较低且处于较内层，因此T-SCQDs会快速富集在革兰氏阳性菌的外层。由于T-SCQDs自身具有荧光，因此可以在共聚焦荧光显微镜下实现特异性的成像。

Figure 1. Synthesis Route of T-SCQDs and the Application of T-SCQDs for Peptidoglycan-Targeting Discrimination of Gram-Positive Bacteria

此外，作者研究了细胞感染模型的检测情况，惊喜的发现T-SCQDs能够对细胞周围革兰氏阳性细菌可视化检测（如图2所示）。这一发现极大的推动了复杂生物环境中，细菌污染的检测和种类鉴别，同时该工作将对临床感染等相关疾病的治疗提供了一个很好的诊断手段。

Figure 2. (a) Schematic illustration of T-SCQDs for visual discrimination of the Gram-positive bacteria around A549 cells. (b) Confocal microscopy scans of A549 cells treated with Gram bacteria and T-SCQDs (500 μg mL−1); the treatment time is about 8 h. All samples were eluted three times. Scale bar: 10 μm.

上述研究成果以Lasting Tracking and Rapid Discrimination of Live Gram-positive Bacteria by Peptidoglycan-targeting Carbon Quantum Dots为题于近日在线发表于国际一流期刊ACS Applied Materials & Interfaces上（DOI: 10.1021/acsami.0c19651）。论文第一作者为西北工业大学化学与化工学院博士生闫超仁，共同第一作者为第四军医大学王超丽研究员，共同通讯作者为西北工业大学化学胡小玲教授和第四军医大学吴红教授。本研究得到了国家自然科学基金（51433008）、陕西省创新团队支持计划项目（2020TD-041）、陕西省重点研发计划项目（2020GY-285）等的资助。