【创新前沿】《自然-通讯》《德国应用化学》报道近红外荧光染料及生物应用研究领域新进展

13.03.2020 01:00

近期，我校化学与分子工程学院、教育部前沿科学中心郭志前教授和朱为宏教授课题组在近红外荧光染料构建生物分子检测平台的研究中取得了重要进展，相关阶段性研究成果分别发表于《自然-通讯》与《德国应用化学》。

近红外荧光染料在生物医学领域具有非常广阔的应用前景，特别是随着荧光成像技术的快速发展，利用荧光探针对生物分子定量检测已经成为研究热点和焦点。基于荧光团共振能量转移（FRET）构建比率型探针提高检测精准度是通常采用的策略，但在动态细胞环境中，不同荧光团的光漂白速率差异和浓差扩散效应难以避免。迄今为止，在高度异质和动态的生物活体环境中，如何消除荧光探针信号易受到目标分子和其他因素（如探针浓度、激发光功率和细胞环境）的影响，精准获取生物分子的定量信息一直面临着重大挑战。

该课题组创新构建了发光性能可调控的分子砌块，突破传统光化学中仅能最低激发态分子发光的卡莎规则，建立了一种具有双发射的高性能染料普适性设计策略，巧妙地设计了发光性能可调控的染料分子砌块IFC (Integrated Fluorescein with Chromene)，基于螺环开关的特异性响应实现卡莎/反卡莎性能调控，即来自激发态S ₂ 的反卡莎荧光信号可通过螺内酯开关进行调节，而来自激发态S ₁ 的卡莎近红外荧光信号则保持不变。研究人员进一步以分子工程化思想，发展设计了多个内标比率型的近红外双发射高性能染料，实现了对细胞、生物活体中多个活性物种的精准、定量检测。这种基于可激活反卡莎荧光机制的全新设计策略拓展了生物体内比率型定量检测平台，为基础生命科学和临床研究提供了强有力工具。这种基于IFC分子砌块的设计策略，在发光机制上为发展具有双发射的高性能染料分子设计提供了具有普适性的策略指导，应用性能显著提升，相关的研究成果以“De novo strategy with engineering anti-Kasha/Kasha fluorophores enables reliable ratiometric quantification of biomolecules”为题发表在《自然-通讯》上。

高性能近红外染料已经被广泛用于生物传感、医学成像、非线性光学和太阳能电池等诸多新型领域。该课题组一直致力于突破染料革新应用中的关键技术，开展高性能、高附加值的荧光染料创制和应用基础研究，已在发展高性能近红外荧光染料方面取得阶段性的成果。基于分子结构设计源头创新，构建了具有自主知识产权的高稳定性、长波长染料新母体―喹啉腈单元体系，有效提升量子效率等应用性能，解决了染料波长拓展与效率提升难以兼顾的困境，显著提升其应用拓展性能。最近，课题组受邀在《德国应用化学》上发表题为“High-Performance Quinoline-Malononitrile Core as Diversity-Orientated AIEgens”的综述，围绕课题组所发展的喹啉腈染料新母体，系统介绍了其聚集发光响应机制、波长和形貌调控、纳米化宏量制备以及在生物成像方面构建可激活型荧光探针等。

上述研究工作主要由博士生石丽敏、博士后燕宸旭在郭志前教授和朱为宏教授的指导下完成，并得到了田禾院士的悉心指导，部分工作的理论计算与瞬态光谱研究得到了新加坡科技设计大学刘晓刚教授和上海科技大学刘伟民教授的支持与帮助。该研究成果得到了费林加诺贝尔奖科学家联合研究中心、材料生物学与动态化学教育部前沿科学中心、国家自然科学基金基础科学中心项目和重点项目、上海市重大专项、以及“111”引智计划等项目资金的支持。