Advanced Materials:高效聚集诱导发光染料在三光子荧光穿颅脑成像中的应用

利用光学信号可视化观察大脑的自然状态是研究常见脑部疾病的重要方法。双光子荧光(2PF)显微成像因其激发光在传统的近红外区(NIR-I,700-1000 nm),广泛应用于活体生物组织成像领域。然而,即使借助于脑部的颅窗,因激发光束在生物组织中的信号衰减,2PF成像方式通常局限于脑部浅层组织的成像。由于颅骨的不完整,会导致术后动物存活率低。此外,对于大脑自然状态的干扰和脑组织的发炎是难以避免的干扰因素,会导致脑血管成像质量的降低。

与传统的2PF成像方式不同,三光子荧光(3PF)显微成像利用近红外二区(NIR-II,1000-1700 nm)波段内的激发光和更高阶的非线性光学效应,显著的提高了穿透深度、时间和空间分辨和信号背景比(SBR)。尽管如此,3PF成像的一个主要限制是缺少具有大的三光子吸收截面和高的荧光量子效率的有机染料。

聚集诱导发光(AIE)的有机染料因其良好的光稳定性和生物兼容性等特征,近年来已有不少AIE发光染料被合成出来。但是,大多数的染料是基于四苯乙烯(TPE)的分子骨架,具有相对复杂的分子结构,这增加了AIE分子设计和合成的难度。因此,设计分子结构简单、合成简便的拥有突出三光子荧光特性的高效AIE生物荧光材料,仍然是一个难题。

基于上述问题,中山大学材料科学与工程学院秦玮研究员、梁国栋教授与浙江大学光电学院钱骏教授课题组和香港科技大学唐本忠院士团队合作,设计和合成了AIE荧光分子BTF。该分子结构中有电子给体三苯胺(TPA)、电子受体富马腈(FN)和叔丁基(t-Bu)基团,它具有典型的电子给体-受体(D-A)结构,使分子具有深红/近红外发射和显著的多光子吸收的能力。该分子化学结构简单、合成简易,拥有显著的AIE特征和高效的固态荧光量子产率(42.6%)。合成的该AIE分子能够通过简单的纳米沉淀的方法,制备成尺寸均匀的AIE点。该AIE点拥有高的发光效率、优良的生物相容性、大的Stokes位移、良好的光稳定性和大的三光子吸收截面。该AIE点可作为有效的三光子荧光纳米探针,对活体小鼠颅骨下血管进行三光子荧光成像。这是首次报道利用AIE点作为三光子荧光纳米探针对完整颅骨下脑血栓过程进行高分辨活体生物成像。这项工作将会有助于研发新的高效非线性发光染料,用于非侵入性活体生物成像和常见脑部疾病的研究。该项研究工作的相关研究结果发表在近期的Advanced Materials(DOI:10.1002/adma.202000364)上。这项研究得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金、浙江省自然科学基金、香港研究资助局和创新科技署等的资金支持。