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

2020-12-11 16:21:28, HORIBA HORIBA（中国）

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~

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，但重要的是SiO₂作为亲水性化合物，生物相溶性也非常好。

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。

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。

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。

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。

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

DOI: https://doi.org/10.1039/C9CC07704A

课题组官网：https://www.x-mol.com/groups/flsong

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