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如何实现毫秒级长寿命发光?山大新成果告诉你!|前沿用户报道


TADF荧光染料

编辑:chen

2014年山东大学宋锋玲教授团队曾开发出一款TADF荧光染料,由于解决了一般染料疏水性问题,因此被广泛用于生物成像,尤其是活细胞的时间分辨荧光成像中。

但这种一代TADF染料(Ⅰ)的发光信号,在大气和水环境中很容易被氧气和水猝灭,导致成像信号强度发生损失,这一点也成为宋教授团队一直以来的攻克重点。

近日,好消息传来,宋教授团队巧妙采用纳米封装法对一代TADF染料进行升级,成功制备出新型荧光材料——TADF染料 Ⅱ,解决了信号猝灭问题。让我们跟随课题组看看研究是如何进行的~

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纳米封装法助力TADF染料华丽升级

纳米封装法其实是一个常规方法,即通过对荧光染料分子进行包裹,从而隔绝氧气。但在本研究中,宋教授团队别出新意,他们在包裹时进行了特殊处理,最终得到不一样的结果:

  • 首先,研究人员制备出TADF染料分子Ⅰ。

  • 接着,将TADF染料Ⅰ共价锚定在SiO2纳米颗粒内部。

    不同之处就在这里,研究人员最终选择锚定在内部而非外部,因为经过多次实验,他们发现:将TADF染料Ⅰ锚定在外部时,信号依旧猝灭;相反,锚定在内部却能解决这一问题。

  • 最终,研究人员基于上述方法,制备出一种新型荧光材料——TADF染料Ⅱ(研究人员将之命名为NP-2), 从而实现毫秒级的发光寿命。

Tips: 之所以会选择SiO2纳米颗粒来封装TADF染料,一来是因为SiO2比较常见,二来因为其性质稳定、价格便宜,但最重要的是SiO2作为亲水性化合物,生物相溶性也非常好。

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图1 制备NP-2纳米粒子的示意图

制备染料分子DCF-BYT(TADF染料Ⅰ),得到封装前驱体

DCP-BYT-SI,对其进行内部封装,最终得到NP-2

那么,问题来了,研究人员是如何验证“TADF染料Ⅱ不会被氧气和水猝灭”的呢?别急,让我们一起看看宋教授团队的验证过程。

惊艳!毫秒级发光寿命令人兴奋!

首先,他们使用DeltaFlex荧光光谱仪,测试NP-2(即升级后的荧光材料)在PBS盐溶液中的荧光寿命。

之所以采用DeltaFlex荧光光谱仪,是因为它采样便捷,信号采集速度快,且能够满足ps~s的寿命范围测试,搭配不同检测器,可覆盖230~1700nm波长范围,能够满足本次实验要求。

经过测试,研究人员发现:无论是在大气还是氮气下,PBS盐溶液中的NP-2,其荧光延迟寿命都保持在毫秒级,可见NP-2的发光信号并未被O2猝灭。

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图2 PBS缓冲液中NP-2的荧光寿命衰减曲线

c为空气中,d为 N2中,NP-2发光寿命

都保持在毫秒级(横坐标)

接着,宋教授团队又进一步检测NP-2在大气水环境中的发光寿命,发现NP-2依旧能够获得9.33 ms的毫秒级超长发光寿命。

以上都说明:封装纳米法制得的新型TADF染料Ⅱ——NP-2,能够有效避免水和氧气对发射信号的猝灭,并获得毫秒级的超长发光寿命。

升级!TADF染料Ⅱ或成生物成像新宠

不仅是超长的发光寿命,宋教授团队在一系列的表征中还发现,NP-2具备多种优势,使其在生物细胞成像领域具有广阔的应用前景。

首先NP-2荧光纳米颗粒细胞毒性比较低,生物相溶性良好。图3为NP-2进行染色后的细胞,红色部分为细胞质。我们能看出,NP-2作为一种小的亲水的SiO2纳米颗粒,很好的完成了对细胞质的染色,足以说明它的细胞活性良好,这为生物成像奠定了基础。

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图3 细胞被NP-2染色后的共聚焦成像图

其次,NP-2荧光材料的生物成像效果也非常理想。宋教授团队对NP-2进行了荧光寿命成像(图4),通过右图我们可以清楚地看到染料在细胞不同位置的分布。

由此,基于以上的表征实验,研究人员验证了NP-2在活细胞的时间分辨荧光成像领域应用的光明前景,也为细胞生物学和临床应用开辟了新的可能性。

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图4  NP-2在HeLa细胞的体外时间分辨荧光成像(FLIM)图

科研创新永无止境,但是很多创新与发明与其说是全新产物不如说是迭代产物,正如本研究中发现的TADF染料Ⅱ,就是在一代染料基础上的升级改良。

这种科研思路的妙处是问题明确,目标笃定、节省时间。不仅科研领域,在其他领域以及生活中,我们都需要有这样的思维方式来推陈出新以达到万象更新,怎么样,奋斗中的小伙伴,是不是豁然开朗了?

文章作者&论文原文

宋教授团队的这项工作近期在线发表于Chemical Communications感兴趣的同学可以自行去查看学习更详细的内容。

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题目&杂志:Achieving long-lived thermally activated delayed fluorescence in the atmospheric aqueous environment by nano-encapsulation. Chem. Commun., 2019,55, 14522-14525

作者:Yingnan Wu, Long Jiao, Fengling Song, Miaomiao Chen, Dapeng Liu, Wei Yang, Yuming Sun, Gaobo Hong, Lingge Liu and Xiaojun Peng.

第一作者:吴蓥男博士生、焦龙博士生

通讯作者:宋锋玲教授、刘大鹏博士

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