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  酶的熱效應(yīng)對(duì)于研究生命現(xiàn)象、生理特征具有重要價(jià)值。生命活動(dòng)受到各種生物酶的調(diào)控，一方面酶本身的活性受到周圍溫度影響，另一方面酶催化放熱反應(yīng)釋放的熱量維持著酶周圍環(huán)境的溫度，研究酶促反應(yīng)過(guò)程中的熱量變化具有重要意義。然而，單個(gè)酶分子釋放的熱量很少，熱量會(huì)迅速擴(kuò)散到周圍環(huán)境達(dá)到熱平衡，現(xiàn)有測(cè)量方法如微量熱法測(cè)量的是整體熱平衡后的熱量情況，無(wú)法實(shí)時(shí)檢測(cè)酶分子非平衡放熱情況，目前缺乏微納米尺度熱量變化監(jiān)測(cè)的有力工具。

  近來(lái)，光學(xué)納米溫度計(jì)的發(fā)展為解決上述問(wèn)題提供了思路。光學(xué)納米溫度計(jì)是指具有溫度響應(yīng)性的納米粒子，通常其光學(xué)特性會(huì)隨溫度改變，通過(guò)測(cè)量納米溫度計(jì)光學(xué)特性變化能獲得被測(cè)物的溫度變化。由于光學(xué)信號(hào)可以實(shí)時(shí)獲得（采集間隔小于1秒），動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)整個(gè)放熱過(guò)程，具有高時(shí)間分辨率；而納米溫度計(jì)的粒徑小于10 nm納米，其尺寸與一些大分子蛋白質(zhì)相當(dāng)，可以實(shí)現(xiàn)高空間分辨率。因此理論上講納米溫度計(jì)可以實(shí)現(xiàn)生物大分子（如酶）微區(qū)域?qū)崟r(shí)非平衡態(tài)的溫度（熱量）變化測(cè)量。

圖1 酶的微區(qū)域溫度實(shí)時(shí)測(cè)量示意圖

  近日，西安交通大學(xué)生命學(xué)院生物醫(yī)學(xué)影像與應(yīng)用研究所吳道澄教授課題組提出了一種可以在微納米尺度下準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)酶促反應(yīng)中放熱情況的新方法（圖1）。文中合成了一種表面帶有大量氨基的AgInS₂量子點(diǎn)，該量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度具有顯著的溫度依賴性，熒光強(qiáng)度接近線性地隨溫度升高而降低，靈敏度為-2.82%°C^-1。通過(guò)化學(xué)交聯(lián)將量子點(diǎn)緊密地連接到被測(cè)物脂肪酶上，確保量子點(diǎn)檢測(cè)酶周圍的溫度而不是溶液溫度。在連接了量子點(diǎn)的脂肪酶溶液中加入底物，利用熒光分光光度計(jì)實(shí)時(shí)地檢測(cè)溶液熒光變化，發(fā)現(xiàn)隨著底物加入溶液熒光強(qiáng)度迅速減弱，經(jīng)換算脂肪酶最大溫差超過(guò)溶液6°C，直到底物消耗完才回復(fù)到初始值（圖2）。該方法具有良好的重現(xiàn)性，最大誤差約為4%，溫度分辨率約為0.5°C，時(shí)間分辨率2秒，可以檢測(cè)低至0.02 mg/mL的酶溶液。該體系的熒光信號(hào)直接代表了酶周圍納米尺度微區(qū)域的溫度變化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)酶促反應(yīng)中非平衡放熱的檢測(cè)。這種酶周圍熱量分布的不均勻性對(duì)于研究納米尺度生物體內(nèi)的熱行為和生物特性具有重要意義。該方法對(duì)于研究生物體內(nèi)各種與熱有關(guān)的酶過(guò)程、線粒體內(nèi)的熱釋放甚至腫瘤熱療中的溫度反饋都有重要的應(yīng)用前景。

圖2. 酶-量子點(diǎn)復(fù)合物在加入底物后的熒光強(qiáng)度變化及對(duì)應(yīng)的溫度變化。（a）在Lipase-QDs中加入10μL底物進(jìn)行三次平行測(cè)試，加入10μL PBS作為空白對(duì)照，記錄熒光強(qiáng)度隨時(shí)間的變化。（b）在相同Lipase-QDs溶液中加入不同量（5，10，15μL）的底物，記錄熒光強(qiáng)度隨時(shí)間的變化。（c）將b圖中前120秒的熒光變化換算為溫度變化，以熱電偶檢測(cè)的溶液溫度作為對(duì)照。（d）在不同溫度下的Lipase-QDs溶液中加入相同底物，記錄熒光強(qiáng)度隨溫度的變化。數(shù)據(jù)以平均值±SD表示（n = 3）。

  近日，該成果以“基于溫度敏感的氨基-AgInS₂量子點(diǎn)的一種準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的酶微區(qū)域放熱檢測(cè)方法”（Accurate and Real-time Detection Method for the Exothermic Behavior of Enzymatic Nano-microregions Using Temperature-sensitive Amino-AgInS₂ Quantum Dots）為題在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊Small Methods (IF=14.1)上在線發(fā)表，第一作者為西安交通大學(xué)生命學(xué)院博士生張慧，吳道澄教授為唯一通訊作者，西安交通大學(xué)生命學(xué)院為該論文的第一和唯一通訊作者單位。該研究成果是吳道澄教授課題組在納米溫度計(jì)及其生物應(yīng)用方面（ACS Appl. Mater. Inter. 2017, 9(12):11073-11081.；ACS Appl. Mater. Inter 2016,8(23):14396-14405.；J. Mater. Chem B. 2019,7,2835--2844.）的又一重要成果。

  該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備項(xiàng)目的資助。西安交通大學(xué)分析測(cè)試中心為本工作提供了大量測(cè)試表征支持。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1002/smtd.202100811