Small:一种红光发射的双光子碳点用于细胞内pH荧光成像

pH是许多生物学过程中最重要的环境参数之一。如,细胞内的pH值在不同的细胞器间存在显著差异:溶酶体/内泌体pH值为4.4-6.5,中性细胞质/细胞核pH值为6.8-7.4,线粒体pH值约为8.0。此外,pH值的波动与细胞功能障碍密切相关,可导致许多诸如类风湿关节炎、休克和癌症等疾病。因此,在生理和病理研究中,监测细胞、组织和机体水平的pH分布和波动具有重要意义。

荧光成像具有时空分辨率高、可实时监测、无创等优点,是监测细胞内pH波动的重要手段。相较于单光子荧光探针,双光子荧光探针可同时吸收两个近红外(NIR)光子,具有更深成像深度和较小的光损伤等优点,特别适用于生物成像。然而,大多数pH荧光探针都是基于有机小分子荧光团来设计合成的,存在制备过程复杂、光稳定性差和pH响应范围窄等问题,这些问题限制了小分子荧光探针在pH生物成像中的广泛应用。碳量子点是近年来发现的一种新型双光子荧光探针,它的优点包括易于合成,生物相容性好,光稳定性高等;理想的双光子碳点还应该具有长波长(> 600 nm)发射和高信噪比(S/N)等特点。遗憾的是,目前基于长波长发射的双光子碳点荧光探针的报道较少。

湖北大学化学化工学院刘志洪教授课题组利用简单的一步水热法制备了具有红光发射的双光子碳点pH荧光探针(pH-CDs),所制备的pH-CDs光稳定性好、响应灵敏度高、可逆性好,且具有很宽的pH响应范围 (pH 1.0-9.0)。作者利用pH-CDs实现了活细胞、斑马鱼、小鼠肾组织组织和肿瘤组织的pH双光子成像和生物传感。此外,作者还对探针的pH响应机理进行了探讨:不同pH环境下,碳点表面去质子化或质子化使得碳点呈聚集-分散状态,从而导致碳点荧光自猝灭-荧光恢复间切换,最终荧光信号反映pH的变化。。

该探针是第一个基于红光发射碳点的pH双光子荧光探针。此项研究作为以碳点间相互作用而构建探针的一个可行性实例,其设计思路可以延伸到其它探针的构建当中,为探针设计构建提供一种新颖的思路。相关论文在线发表在Small (DOI:10.1002/smll.201901673)上。