近日,我校化学化工学院教师龚毅君博士、冯素玲教授和张贵生教授等与湖南大学化学生物传感和计量学国家重点实验室张晓兵教授研究团队合作,在近红外荧光染料及探针的开发和设计中取得重要进展。其研究成果“A
Unique Approach toward Near-Infrared Fluorescent Probes for Bioimaging
with Remarkably Enhanced Contrast”在国际顶尖化学类一区期刊《Chemical
Science》上发表(Chem. Sci., 2016, DOI: 10.1039/c5sc04014k)。

近日,我校材料科学与工程系副教授梁永晔课题组在近红外二区荧光探针研究方面取得重要进展,设计合成了一类高量子产率的分子探针,通过与斯坦福大学戴宏杰教授课题组等合作,深入研究该类荧光分子的理性设计,并成功地将高纯度的染料-抗体荧光探针应用于生物组织三维染色成像的研究。

该工作针对经典近红外荧光染料特别是Cy系列染料荧光量子产率低、斯托克斯位移较小等缺陷,借鉴罗丹明染料的刚性平面结构及其优越的光物理化学性质,首次设计合成了一系列远红区至近红外荧光发射的染料HN1-7。其中,染料HN7同时具有高的荧光量子产率和较长的斯托克斯位移,在生物成像方面表现出了显著增强的成像对比度和空间分辨率。此外,基于HN7染料构建了两个具有代表性的近红外荧光探针HN7-N2和HN7-S,分别用于HeLa细胞、肝组织和小鼠体内的NO和Hg2+的荧光成像检测,获得了令人满意的结果。

该成果相继发表于国际顶尖期刊Advanced
Materials(先进材料,影响因子18.96),题目为Rational Design of Molecular
Fluorophores for Biological Imaging in the NIR-II
Window(应用于近红外二区生物成像的分子荧光探针的理性设计)和Proceedings
of the National Academy of Sciences of the United States of
America(美国科学院院报,影响因子9.423),题目为Molecular imaging of
biological systems with a clickable dye in the broad 800-1700 nm
near-infrared
window(一种具有点击化学功能的荧光染料应用于800-1700nm近红外窗口生物系统分子成像)。

《Chemical
Science》为英国皇家化学会主办的化学类一区期刊,在国际化学研究领域具有很高的影响力(影响因子9.211),通常仅报道具有高度原创性且对整个化学科学研究领域有广泛影响的研究成果。

荧光成像技术广泛地应用于生物医学研究。相比于常用的可见光以及近红外一区(NIR-I,
750-900nm)荧光成像技术,近红外二区由于发射波长(1000nm~1700nm)更长,可显著降低在穿透生物组织时的光散射现象以及自荧光效应的影响,使探测深度更深、空间分辨率更高。该技术发展的一个重要瓶颈是缺少具有高亮度与生物相容性的荧光探针。梁永晔课题组在前期工作中开发了一种分子荧光探针IR-E1,它在水溶液中量子产率可以达到0.7%并且在体内可以通过肾脏排泄。虽然该量子产率在相关材料中已经是比较高的,但要达到快速成像并实现更深的穿透深度仍需要更亮的探针材料。

(化学化工学院 刘起胜 姜玉钦)

在Adv.
Mater.发表的研究论文中,梁永晔和他的合作者们深入研究了一类新型的高效荧光分子探针的理性设计。荧光分子由电子屏蔽基团(shielding
unit)、给体基团、受体基团组合,形成S-D-A-D-S型分子。目标分子IR-FE以3,4-乙烯二氧噻吩为电子给体,以烷基链取代芴为电子屏蔽基团。通过理论计算模拟,发现EDOT为电子给体时分子骨架具有更大的扭转角和更加调谐的表面静电电位分布,可有效保护受体基团苯并双噻二唑,阻止其与溶剂分子或其它分子发生相互作用。同时,烷基链取代芴和分子骨架扭转的共同作用可减弱分子间相互作用而降低聚集荧光淬灭。IR-FE的发射波长在900-1400
nm范围,在甲苯中的量子产率高达31%,在以聚乙二醇进行水溶性修饰后量子产率可保持在2%,这是迄今为止报道的在水相中量子产率值最高的水溶性近红外二区有机荧光分子探针。研究发现EDOT是荧光分子在水溶液中保持量子效率的关键因素。

图片 1图1.
a) 荧光分子结构图;b)荧光分子与溶剂分子的相互作用示意图。

图片 2图2.
a) IR-FE在甲苯中的荧光光谱及量子产率;b)
水溶性分子IR-FEP,IR-BBEP和IR-FTP的荧光光谱及量子产率。

在《PNAS》发表的研究论文中,梁永晔课题组进一步合成了具有点击反应功能的荧光分子IR-FGP。它以三乙二醇修饰的噻吩作为电子给体基团,可以增强荧光分子的溶解性并保持较高的量子产率。荧光分子可以通过点击反应与特异性抗体或蛋白高效结合。戴宏杰课题组采用密度梯度离心法实现了蛋白与荧光探针结合产物的纯化分离,获得了高纯度的近红外二区荧光分子与抗体的结合体。在自建的共聚焦荧光显微镜下,实现了〜170μm组织学水平上的脑组织切片的三维染色。另外,与碳纳米管(发射波长1500-1700
nm)和深色红(发射波长600-900
nm)这两种荧光探针结合,他们还实现了同时跨度近红外一区和二区窗口(800-1700nm)上的多色分子三维层析组织成像。

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