超稳定荧光聚合物点用于受激辐射损耗超分辨生物成像

获得2014年诺贝尔化学奖的受激辐射损耗(STED)显微镜作为一种典型的超分辨成像技术,在纳米尺度的生物成像领域引起研究人员的广泛兴趣。STED显微镜通过采用一束常规激发光和一束环形损耗光共同照射荧光分子来实现突破光学衍射极限的超分辨成像,其损耗光的强度往往是激发光强度的数百倍以上,高强度激光照射导致常用荧光分子(例如有机染料、荧光蛋白)的快速漂白。缺乏能够耐受STED高强度照射的稳定荧光分子已成为限制其广泛应用的一个瓶颈。为此,研究人员开发了增加光稳定性的有机染料,并逐渐开始将抗光漂白性能有望超过有机染料分子的荧光纳米颗粒(包括量子点、聚集诱导发光颗粒、上转换纳米颗粒、染料复合等离子体颗粒等)应用于STED显微成像。然而已报道的这些纳米颗粒具有各自的局限性,例如双光子吸收使得空间分辨率降低、长荧光寿命使得快速成像时荧光强度较低、产生热效应不利于活细胞成像等。发展具有高荧光稳定性、适用于STED显微成像的荧光探针仍然存在挑战性。

半导体聚合物点(Pdots)是一类具有高亮度、优良生物相容性和易于标记等特点的新型荧光纳米颗粒,被广泛应用于生物传感和活体成像;多种具有不同分子结构、颗粒尺寸和发射光谱的聚合物点已经被报道。近期,具有光闪烁特性的几种小尺寸半导体聚合物点,被用于基于图像处理技术的多色超分辨光学波动成像(SOFI),实现了140纳米到180纳米的分辨率。最近,中科院化学研究所分子纳米结构与纳米技术重点实验室的方晓红课题组首次报道了一种适合STED成像的具有稳定发光和优异抗光漂白特性的半导体聚合物点纳米探针,并成功实现了71纳米分辨率、持续2小时超分辨生物成像和活细胞囊泡动态示踪。表明半导体聚合物点可以作为一类有潜力的新型STED超分辨成像荧光探针。

本研究中,研究人员将具有优良光稳定性的红色荧光半导体聚合物(发射光668 nm)包裹于两亲性高分子聚合物中,得到粒径为40纳米的水溶性聚合物点,并进一步偶联生物素,能特异性标记链霉亲和素修饰的微珠和生物素受体高表达的肿瘤细胞。随着损耗光STED光强的提高,聚合物点分辨率达到71纳米。这种半导体聚合物点与常用STED染料(Atto 565)和包裹STED染料的40纳米聚苯乙烯微球相比具有更高的亮度和荧光稳定性。利用半导体聚合物点作为荧光标记,对固定细胞内吞囊泡进行了长达2小时的持续STED成像,结果表明半导体聚合物点在2小时内无明显荧光衰减,而对照染料则在1小时内完全漂白;相比于目前已报道的几种新型STED染料和荧光颗粒,半导体聚合物点也显示了其更好的抗漂白性能。进一步利用该探针进行活细胞STED超分辨成像,观察到了细胞内囊泡融合/分离的动态变化。该研究为发展STED超分辨荧光探针提供了新策略。研究结果也发现,对于不同分子结构的半导体聚合物,其荧光稳定性有明显差异,有必要进一步设计开发具有新分子结构的荧光半导体聚合物以满足更高分辨、更多波长的STED成像要求。同时这类半导体聚合物点也有望应用于对抗光漂白性能要求高的单分子/单粒子长时间成像示踪,在活细胞中生物分子相互作用和生化反应机制的研究中发挥重要作用。

相关研究结果发表在Advanced Optical Materials(DOI: 10.1002/adom.201800333)上。中国科学院化学研究所分子纳米结构与纳米技术重点实验室博士生吴亚运为第一作者。

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