微弱近红外光可激发的染料聚集体用于神经细胞荧光成像

荧光显微成像的应用几乎遍及生命科学的各个领域,而荧光探针的特性对实现高质量的荧光图像至关重要。例如有机小分子荧光染料是目前最常用的一类荧光探针,因其种类和光谱特性多样、尺寸较小 (<1 nm)、扩散速度快、对被标记物的干扰较小等性质而备受研究者青睐。但其一般Stokes位移较小,并且较易于受光漂白和光毒性的困扰,这些缺点对于活细胞和组织的荧光成像,特别是神经元等对光毒性敏感的尤为突出。

图1. 左图为能量转移中介分子BF2dbm-聚乳酸(蓝色:B-PLLA)和罗丹明-聚乳酸(红色:RhB-PLLA) 共同制备(摩尔比100:1)高效荧光转移纳米粒子的示意图;右图为该纳米粒子在紫外激发下的照片。

中国科学技术大学高分子系张国庆教授、神经生物学与生物物理学系毕国强教授及其研究团队研究生李昕阳、刘惠静开发出了以生物材料聚乳酸纳米粒子为基底材料、能够用极弱的脉冲近红外激光(有效功率 <2.5 mW)实现能够双光子激发的罗丹明B显像剂。罗丹明B本身具有一定的生物毒性,需要嵌入聚乳酸使用,但如果直接嵌入高分子基底会出现显著微相分离引起的自淬灭,所以设计的关键是如何在不减弱罗丹明发光效率的基础上增加纳米粒子的光吸收效率,从而极大降低对激发光强度的要求。中国科大研究团队鉴于前期的工作基础,得出结论需要引入效率很高的能量转移的中介分子才能达到这一目的。

对于荧光能量转移来说,核心设计在于如何最大限度遏制给体的荧光衰减和热衰减,同时能够有效加强能量转移速率。要想成数量级的降低给体荧光寿命,必须使得荧光发射态变得异常禁阻,这一目标的实现可以通过增加中介分子(图1蓝色椭圆)的局部浓度,使其产生类似于H聚集体的结构(图1绿色椭圆),产生表观荧光寿命长达40 ns(本征荧光寿命长达上百纳秒)的禁阻态。能量转移速率的增加主要依赖中介分子和罗丹明(图1红色椭圆)在基底材料中的“紧密”接触。后期超快激光光谱工作表明,这种接触在能量转移的基础上还有快速电子转移的参与,从远程和近程两个尺度增加了转移速率。

图2. 体外培养的胎鼠海马神经元(14DIV)(左)和SD大鼠(1月龄)肝脏组织(右)双光子荧光显微图片(比例尺:20 m)。

在他们具体的实验工作中,用BF2dbm-聚乳酸(能量中介分子)和罗丹明-聚乳酸制得纳米粒子 (~70-80 nm),在中介分子和罗丹明摩尔比为100:1时就能产生非常有效的能量转移(如图1所示)。能量转移的效率可以通过生物高分子聚乳酸的分子量或者基质组成的改变得以控制。同时,他们实现了这种BF2dbm-罗丹明的能量转移体系在培养的海马神经元和厚组织样品成像中的实际应用。非常重要的是,这种纳米粒子可以用极低强度的近红外光激发,并且具有很好的光稳定性和极低的生物毒性,从而可以在非常敏感的神经元等活细胞成像中得以应用(如图2所示)。

相关工作得到了国家自然科学基金以及中国科学院战略性先导科技专项的资助。

徐 广臣 About 徐 广臣

MaterialsViewsChina专栏作者,同时为WILEY出版集团旗下的材料科学类期刊提供作者服务。

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