神经递质是大脑信息传递的关键化学信使，其浓度失衡与高原病、阿尔茨海默病等疾病引发的脑功能损伤密切相关。因此，实现对血清等复杂生物样本中特定神经递质的高灵敏、高选择性快速检测，对于相关脑疾病的早期诊断与精准干预具有重大意义。目前，由于多巴胺（DA）、去甲肾上腺素（NE）等儿茶酚胺类神经递质在分子结构与化学性质上高度相似，在复杂生物样本中对其进行精准区分检测成为生命分析领域面临的关键挑战。

针对上述难题，中国科学院兰州化学物理研究所天然药物与化学测量研究中心杨军丽研究员课题组长期围绕功能化硅纳米颗粒（Si NPs）的合理设计与新型传感机制及技术等方向，开展了系统深入的研究并取得系列重要进展。

为突破多巴胺（DA）与其结构类似物（如去甲肾上腺素、肾上腺素等）在复杂生物基质中的区分难题，本研究利用水热法合成具有良好水溶性且表面富含活性基团的荧光Si NPs，并以其为探针，结合同步荧光光谱分析技术建立了一种选择性生物传感平台。实验表明，Si NPs与DA产生氢键相互作用，在同步荧光光谱上产生特异性单峰响应（530 nm）；而去甲肾上腺素与肾上腺素则呈现出双特征峰（484 nm/530 nm）。该光谱差异实现了对DA的高灵敏、快速鉴别，检测限可低至 0.22 µM，并成功应用于血清样本的实际检测。相关成果以“A Synchronous Fluorescence Biosensor Mediated by Hydrogen-Bonding Interaction for Highly Selective Detection of Dopamine”为题发表在Microchim. Acta.(2025, 191: 105)上。

图1. A Si NPs的制备示意图；B 基于Si NPs的DA检测示意图

针对去甲肾上腺素（NE）在复杂生物样本中特异性识别的难题，研究人员合理设计并制备了一种表面修饰氯甲酸苄酯的荧光硅纳米颗粒（CBZ-Si NPs）。通过密度泛函理论（DFT）计算，预测该传感器可通过与NE形成独特的“六元环状氢键”实现特异性结合。实验验证发现，CBZ-Si NPs能有效排除NE结构类似物的干扰。进一步研究表明，所构建的CBZ-Si NPs对NE的检测限低至2.50 nM，线性范围0.05–1.00 µM（R²=0.9996），在血清样本检测回收率达90.82%–104.40%。相关成果以“Benzyl Chloroformate-Functionalized Fluorescent Silica Nanoparticles for Detection of Norepinephrine”为题作为封面文章发表在ACS Appl.Nano Mater.(2025, 8(48): 22927-22937)上。

图 2. a：CBZ-Si NPs的制备流程；b：NE的检测示意图；文章封面图

上述系列研究从“分子设计”到“信号解析”，并结合理论计算深入阐明机制，系统性地攻克了相似神经递质的高选择性高灵敏度检测难题，不仅深化了对纳米材料-生物分子相互作用机制的理解，也为开发脑疾病早期预警技术奠定了科学基础。

兰州化物所和兰州理工大学联合培养研究生李铃铃为以上论文的第一作者，兰州化物所杨军丽研究员、张瑛助理研究员和兰州理工大学杨爱梅教授为共同通讯作者。

上述研究工作得到了国家自然科学基金、中国科学院国际合作项目、甘肃省重大科技专项及兰州化物所科研项目的支持。