硫醇如谷胱甘肽（GSH）、半胱氨酸（Cys）、高半胱氨酸（Hcy）等在細胞新陳代謝中扮演著重要的角色。在癌癥、阿茲海默癥、帕金森癥等疾病中，細胞內硫醇的含量都高于正常水平。因此，對細胞內硫醇的超靈敏檢測具有重要意義。目前最常用的檢測細胞內硫醇的方法是熒光方法，但是熒光的組織穿透性比較低。磁共振技術具有無損檢測、無放射性、無組織穿透深度限制的優點，但是目前的傳統磁共振技術靈敏度較低。超極化129Xe磁共振是一種全新的磁共振分子影像技術，比相同條件下傳統磁共振的靈敏度增強50000倍以上，同時兼具傳統磁共振的上述優點。

近日，中國科學院武漢物理與數學研究所的周欣研究組在自主研發的超極化129Xe磁共振的儀器上，設計合成了硫醇響應的129Xe磁共振/熒光雙模態超靈敏分子探針，并以二硫鍵為硫醇的響應位點，實現了硫醇皮摩爾（10-10 M）量級的磁共振檢測靈敏度。超極化129Xe磁共振不僅提供了細胞內硫醇檢測的超靈敏新技術，也為下一步活體應用邁出了重要的一步。

圖1. 129Xe磁共振/熒光雙模態探針分子在細胞內與硫醇反應的示意圖

在溶液中，超極化129Xe磁共振及熒光雙模態分子探針與硫醇反應后，二硫鍵斷裂，同時與熒光基團萘酰亞胺相連的部分會發生分子內的成環反應，從而使熒光出現增強現象。由于超極化129Xe對化學環境的敏感性，當探針分子的二硫鍵斷裂后，同時也引起超分子籠內129Xe磁共振信號的改變。因此，他們可通過熒光與129Xe磁共振來進行硫醇雙模態的超靈敏檢測。

圖2. 超極化129Xe磁共振和熒光雙模態探針分子與GSH反應后，熒光光譜與超極化129Xe磁共振譜；（a）探針分子與不同化學計量GSH反應后的熒光光譜；（b）探針分子與不同化學計量GSH反應后的超極化129Xe磁共振譜

在細胞內，超極化129Xe磁共振和熒光雙模態探針分子對硫醇也顯示出較好的響應能力。探針分子進入細胞內出現較強的綠色熒光，當用硫醇抑制劑NEM處理后，再將探針分子導入細胞內，細胞內探針分子的熒光明顯減弱。

圖3. 探針分子進入細胞后的激光共聚焦

研究者結合化學交換飽和轉移（CEST）的磁共振技術研究了探針分子進入細胞后的超極化129Xe磁共振譜。當探針分子導入細胞后，在細胞內觀測到較強的CEST效果；當細胞先用NEM處理后，再將探針分子導入細胞內，細胞內的CEST效果明顯減弱。此測試結果與熒光手段互相印證并高度一致，表明超極化129Xe磁共振檢測細胞內硫醇的靈敏度與熒光的效果幾乎不相上下。

 超極化129Xe磁共振和熒光雙模態探針分子進入細胞后的CEST磁共振譜

此項研究成果于近期在美國化學學會旗下的Analytical Chemistry 上發表，中國科學院武漢物理與數學研究所的郭茜旎副研究員與曾慶斌博士生為共同第一作者。該研究得到了國家自然科學基金委重大科研儀器研制項目和杰出青年基金項目、中國科學院的支持。