近期，華東理工大學化學與分子工程學院、教育部前沿科學中心郭志前教授和朱為宏教授課題組在近紅外熒光染料構建生物分子檢測平臺的研究中取得了重要進展 ，相關階段性研究成果分別發表於《自然-通訊》與《德國應用化學》。
近紅外熒光染料在生物醫學領域具有非常廣闊的應用前景，特別是隨著熒光成像技術的快速發展，利用熒光探針對生物分子定量檢測已經成為研究熱點和焦點。基於熒光團共振能量轉移（FRET）構建比率型探針提高檢測精準度是通常採用的策略，但在動態細胞環境中不同熒光團的光漂白速率差異和濃差擴散效應難以避免。迄今為止，在高度異質和動態的生物活體環境中，如何消除熒光探針信號易受到目標分子和其他因素（如探針濃度、激發光功率和細胞環境）的影響，精準獲取生物分子的定量信息一直面臨著重大挑戰。
該課題組創新構建了發光性能可調控的分子砌塊，突破傳統光化學中僅能最低激發態分子發光的卡莎規則，建立了一種具有雙發射的高性能染料普適性設計策略，即巧妙地設計了發光性能可調控的染料分子砌塊IFC (Integrated Fluorescein with Chromene) ，基於螺環開關的特異性響應實現卡莎/反卡莎性能調控，即來自激發態S2的反卡莎熒光信號可通過螺內酯開關進行調節，而來自激發態S1的卡莎近紅外熒光信號則保持不變。進一步，以分子工程化思想，發展設計了多個內標比率型的近紅外雙發射高性能染料，實現了對細胞、生物活體中多個活性物種的精準、定量檢測。這種基於可激活反卡莎熒光機制的全新設計策略拓展了生物體內比率型定量檢測平臺，為基礎生命科學和臨床研究提供了強有力工具。這種基於IFC分子砌塊的設計策略，在發光機制上為發展具有雙發射的高性能染料分子設計提供了具有普適性的策略指導，應用性能顯著提升，相關的研究成果以“De novo strategy with engineering anti-Kasha/Kasha fluorophores enables reliable ratiometric quantification of biomolecules”為題發表在《自然-通訊》相《Nature Communications》上(Nat. Commun.2020, 11, 793; )。
高性能近紅外染料已經被廣泛用於生物傳感、醫學成像、非線性光學和太陽能電池等諸多新型領域。該課題組一直致力於突破染料革新應用中的關鍵技術，開展高性能、高附加值的熒光染料創制和應用基礎研究，已在發展高性能近紅外熒光染料方面取得階段性的成果。基於分子結構設計源頭創新，構建了具有自主知識產權的高穩定性、長波長染料新母體―喹啉腈單元體系，有效提升量子效率等應用性能，解決了染料波長拓展與效率提升難以兼顧的困境，顯著提升其應用拓展性能。最近，課題組受邀在《德國應用化學》上發表“High-Performance Quinoline-Malononitrile Core as Diversity-Orientated AIEgens”的綜述，圍繞課題組所發展的喹啉腈染料新母體，系統介紹了其聚集發光響應機制、波長和形貌調控、納米化宏量製備以及在生物成像方面構建可激活型熒光探針等，Angew. Chem. Int. Ed.2020, DOI: 10.1002/anie.201913249; 。
上述研究工作主要由博士生石麗敏、博士後燕宸旭在郭志前教授和朱為宏教授的指導下完成，並得到了田禾院士的悉心指導，部分工作的理論計算與瞬態光譜研究得到了新加坡科技設計大學劉曉剛教授和上海科技大學劉偉民教授的支持與幫助。該研究成果得到了Feringa諾獎中心、材料生物學與動態化學教育部前沿科學中心、國家自然科學基金基礎科學中心項目和重點項目、上海市重大專項、以及“111”引智計劃等項目資金的支持。
來源 華東理工大學化學與分子工程學院
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-14615-3
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201913249
閱讀更多 小材科研 的文章
