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)。

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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)。

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。

近日,我校化学化工学院王柯敏教授课题组受美国化学会国际著名期刊Accounts
of Chemical Research杂志主编Joan Selverstone
Valentine教授邀请,撰写了题为;Functionalized Silica Nanoparticles: A
Platform for Fluorescence Imaging at the Cell and Small Animal Levels(
Acc. Chem. Res.,2013, DOI: 10.1021/ar3001525)的学术论文。
此文总结了王柯敏教授课题组自2000年以来在生物功能化纳米颗粒荧光成像探针设计与制备及其在细胞、亚细胞和小动物活体荧光成像等方面的研究探索。Accounts
of Chemical Research杂志在化学研究领域深具影响
(2012年影响因子为21.64),被认为是化学化工领域顶级综述性杂志之一,主要是综述作者自己的系统研究而不同于其它综述性杂志。
在细胞和活体层面实时、在线、原位地获取与生物功能和疾病相关的生物/化学信息,对于更加准确地阐述疾病发生发展的规律和机制以及实现疾病的早期诊断与治疗等具有十分重要的意义,正逐渐成为现代分析化学的研究热点。然而,细胞和活体层面生命活动的多样性、复杂性和时空多变性等特点,向传统分析方法提出了全新的挑战。二十世纪九十年代以来,纳米技术和生物技术交叉融合发展的纳米生物成像技术为生物活体复杂体系的生物/化学信息获取提供了新的契机。
王柯敏教授近十几年来一直致力于生物/化学信息获取新原理和新方法研究,针对活体复杂体系中生物/化学信息获取必须解决的极小空间、极快响应速度以及超高灵敏度三个关键科学问题,提出了生物功能化纳米颗粒制备、核酸片段传感等系列生物/化学信息获取新原理,在分子、细胞和活体水平系统研究了功能化纳米颗粒生物效应,取得了包括二氧化硅纳米颗粒具有DNase
I酶切保护新纳米尺度效应等在内的三项重要科学发现,系统建立了基于生物纳米和分子工程技术的生物/化学信息高灵敏、高选择性以及实时获取新方法,解决了生物/化学信息获取中诸多技术难题,实现了细胞与活体水平生物/化学信息的实时获取与表征,如:设计长Stokes位移近红外荧光纳米探针,克服活体背景荧光干扰,实现了深层组织成像;首次采用金纳米簇实现了肿瘤活体荧光被动靶向成像等。相关研究成果获2011年国家自然科学二等奖。

(化学化工学院 刘起胜 姜玉钦)

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。

《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。

美高梅手机登录 2图3.
a) IR-FGP分子结构图;b) IR-FGP与靶向蛋白连接示意图;c)
脑组织的三维层析成像图。

美高梅手机登录 3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。

我校访问学者杨晴来,博士后万昊,研究助理王华森、马睿,本科生张潇、杨婧祎参与了Adv.
Mater.论文的研究工作。合作单位包括斯坦福大学戴宏杰教授组、华东师范大学孙海涛教授组与天津大学张晓东教授组。我校访问学者杨晴来,研究助理王华森、黄威,博士后万昊参与了PNAS论文的研究工作。合作单位为斯坦福大学戴宏杰教授组。工作得到了青年千人计划、深圳孔雀团队、重点实验室项目以及技术攻关项目等支持。

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。

PNAS:

染料HN7同一时间全部高的荧光量子产率和较长的Stokes位移,在成员、细胞和活体水平系统钻研了效用化飞米颗粒生物功用。文章链接:

美高梅手机登录 4美高梅手机登录,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。

Adv. Mater:

供稿:材料系

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