华理杨有军课题组 JACS :实现高性能深近红外荧光染料,开启 NIR 成像领域新征程 | 前沿用户报道

2022-11-25 09:38:30, HORIBA HORIBA科学仪器事业部


供稿:杨有军课题组
编辑:Tess
审核:Joanna



研究成果







相较于可见/紫外光,波长更长的近红外光在生物组织中具有更大的穿透深度、更高的信噪比,因此适用于器官、组织、活体动物等复杂生物组织的成像。为了更好的成像效果,研究人员急需开发高性能的荧光染料——不仅最大吸收波长要大于 800 nm(金标准是最大吸收波长在 780 nm 的吲哚菁绿染料)而且需具备极高的荧光量子效率。


近日杨有军课题组便开发了这样一系列高性能染料,且被成功应用于活体小鼠的全身血管成像,开启NIR成像领域新征程。相关研究成果 “Stable, Bright, and Long-Fluorescence-Lifetime Dyes for Deep-Near-Infrared Bioimaging” 已在 Journal of the American Chemical Society 发表。






研究背景







对于高性能荧光染料的研究开发,早在 2008 年,肖义教授和钱旭红院士,便通过将罗丹明母核中的桥连氧原子替换为二甲基硅,获得了硅罗丹明荧光染料母核,逐步成为了 640 nm波段的优势染料母核,在超分辨成像等前沿挑战中获得广泛应用。


2017年,杨老师课题组开发了一系列碳桥连的二苯并呫吨染料母核(ECX),它的最大吸收/发射波长在880/915 nm,可以说是高性能红外荧光染料开发方面的一个重大进展。此后杨老师课题组的工作,主要聚焦于在这个母核基础上,将它的碳桥连改造成硅桥连基团,并研究这个改造对染料光物理性质有何影响。


今年这项工作也迎来了新突破,杨老师课题组结合硅罗丹明母核和 ECX,将 ECX 的碳桥连改造成硅桥连基团,开发的一系列深红外二苯并硅罗丹明染料(ESi5a-ESi5d)在 808 nm 激发下有极高的荧光量子效率。同时该染料还具有优异的光稳定性以及低毒性,已被成功应用于活体小鼠的全身血管成像。





实验过程







如图1所示,ESi5a-ESi5d 可通过高效的5步级联反应实现克级合成。



图1 肖义教授和钱旭红院士前期报道的硅罗丹明以及本文所报道的二苯并硅罗丹明母核(ESi5)


由于 ESi5 系列染料的 LUMO-HOMO 轨道有大量的重叠,使得该染料具有较高的摩尔消光系数(ε > 105 cm−1 M−1),刚性的母核结构使得它们具有较高的荧光量子效率(ϕ = 0.14 in CH2Cl2)以及较长的荧光寿命(τ > 700 ps in CH2Cl2)。


接下来研究人员对染料吸收光谱进行了拆分,每一个拆分出来的组分都对应一个单独的光物理吸收的过程,为分子的光谱表征提供了新的方法。同时,用自主搭建的荧光显微镜在 808 nm 激发下对染料进行了光稳定性测试,并利用指数衰减曲线拟合出分子的光漂白半衰期。另外,研究人员还利用超快光谱对染料激发态动力学进行了研究,结合理论计算,发现硅原子的大原子半径会提升染料结构的刚性,让染料有极高的荧光量子效率。



图2 (A,B)ESi5a,(E,F)ESi5c 和(I,J)ESi5b-PEG 的紫外-可见吸收和荧光发射光,吸收和发射光谱进行拆分并绘制(C,D)ESi5a 和(G,H)ESi5c 


最后,为了验证 ESi5 系列染料在生物成像中的应用潜力,研究人员选用 ESi5a 用于活体小鼠全身血管成像。由图3可以看出,小鼠肝脏、脾、心脏、左后肢、脑部等部位的血管清晰可见。另外文中也用荷瘤小鼠验证了 ESi5a 具有光声成像的应用潜力。




图3 通过尾静脉注射 ESi5a 对裸鼠进行活体成像


实验表明,ESi5 系列明亮且低毒的染料有望用于材料科学、生物医学等领域,并最终用于临床医疗。






仪器使用评价








DeltaFlex 全自动模块化荧光寿命光谱仪 



杨有军实验室配备的 DeltaFlex 全自动模块化荧光寿命光谱仪


“本实验中,ESi5 系列染料的荧光发射光谱使用 QM 系列稳态荧光光谱仪测得;荧光寿命检测是通过 HORIBA DeltaFlex 全自动模块化荧光寿命光谱仪实现的。得益于仪器的宽波长范围、高灵敏度以及操作灵活、便捷,在深近红外荧光染料开发和性能测试等环节提供了帮助。


另外,我们实验室还配备了 HORIBA QM40、QM8000、Duetta、DeltaFlex 等稳态瞬态光谱仪,为相关工作的开展提供支撑。”


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