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基于分子激发态调控发展高性能近红外荧光探针 精选

已有 5524 次阅读 2024-1-12 14:49 |个人分类:AMR Account|系统分类:论文交流

华东理工大学朱为宏院士团队:基于分子激发态调控发展高性能近红外荧光探针

近日,华东理工大学朱为宏院士团队的AMR述评文章“Engineering Near-Infrared Fluorescent Probes Based on Modulation of Molecular Excited States”在线发表。文章聚焦近红外荧光探针传感精准度提升,总结了如何基于激发态调控发展高性能近红外荧光探针的研究进展,同时展望了该领域的应用前景。

关键词:荧光探针、分子激发态、近红外、荧光传感

基于分子激发态调控发展高性能近红外荧光探针。

1 文章内容简介

具有生物识别功能的荧光染料,特别是近红外荧光染料(NIR染料,650-900 nm)因其灵敏度高、响应速度快和技术简单等显著优势,成为传感、分析和活体光学成像的重要工具。由于生物组织在近红外光谱中几乎没有自发荧光,使用近红外荧光造影剂可以有效提升“信号-背景”对比度,从而产生“夜空中明亮星星”的成像效果,使其在非侵入传感、疾病研究和药物递送等活体应用中备受青睐。

在荧光传感中,荧光染料吸收光进入激发态是关键步骤之一。一旦进入激发态,染料分子可能历经辐射跃迁、非辐射跃迁、能量传递、电子转移等多种激发态衰减过程。这些光物理过程直接决定了荧光染料的发射波长、亮度、光稳定性等性能。可以说,对分子激发态的理性调控对于实现精准的荧光传感至关重要。然而,由于能隙定律,近红外荧光染料具有较小的基态(S0)-激发态(S1)能隙,使得其非辐射失活途径更加迅速。这种快速的弛豫过程使近红外荧光染料更容易受到分子聚集行为、环境因素等干扰。因此,如何兼顾染料波长拓展与荧光传感精准度往往存在极大挑战。

本文介绍了研究团队如何基于分子激发态调控构建近红外荧光探针的系统研究工作(如下图所示)。特别是针对活体应用中的点亮型(激活型)、定量型传感挑战,研究团队重点关注:开发化学小分子染料新母体;解析染料光物理新机制;挖掘限域环境激发态调控新策略。首先,介绍了基于单发色团的“内标比率型”荧光检测机制,通过高能级激发态调控的“反卡莎”规则,有效实现了肿瘤乏氧和活性生物分子的荧光定量检测。进一步地,通过“荧光反转”策略,有效逆转分子激发态旋转驱动能,将分子内电荷转移(ICT)染料的强吸电子物种导致的“猝灭模式”转变为“点亮模式”。第三,系统讨论了近红外荧光分子聚集行为与激发态弛豫途径之间的关系:通过限域环境调控,抑制或放大激发态分子内运动以提升传感信号保真度、光疗效率等。最后,探讨了面向动态、在体成像需求的近红外荧光探针的展望和挑战。

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图 基于分子激发态调控发展高性能近红外荧光探针。(i) “内标比率型”荧光传感策略:基于高能级激发态调控的“反卡莎”规则构建定量检测荧光探针;(ii) “荧光反转”策略:通过调控激发态分子旋转驱动能量,突破ICT染料面临的强吸电子物种导致荧光猝灭的难题;(iii) 抑制激发态分子内运动,实现对蛋白质斑块、细胞器和酶的可激活、高保真荧光传感;(iv) 通过聚电解质组装策略,放大聚集体中染料的激发态分子内运动,提升光疗效率。

2 AMR:请问您选择该领域的初心是?

作者团队:

疾病的精准诊断是全世界化学家、生物学家和医疗工作者关注的重要研究热点。研究团队旨在通过染料分子新结构、激发态新机制、材料微环境调控新策略,有效解决荧光传感中面临的精准度提升这一具有挑战性的问题,希望能够在细胞、组织、乃至活体层面精确地示踪生命过程。

AMR:请和大家分享一下这个领域可能会出现的研究机会!

作者团队:

对激发态机制的进一步深入解析将为创制新型生物传感探针带来契机,尤其在术中荧光成像和活体层面的动态生物传感领域。(i) 在术中荧光成像中,使用近红外二区(NIR-II)荧光传感将提供更深的组织穿透和更高的信噪比。然而,如何解决荧光猝灭(受能隙定律支配)以构建高亮度、高光稳定性的NIR-II探针(例如研究团队最近报道的“杂交耦合”染料构建策略)仍然存在巨大挑战。(ii) 面向如何可视化生命动态过程(例如蛋白质折叠、聚集等行为)的挑战难题,迫切需要探索分子激发态弛豫过程和分子构象(如平面或弯曲构象)的协同调控策略,有望实现荧光波长(或荧光寿命)与空间构象动态变化的生理微环境(如蛋白微环境)之间建立定量关系,将为高通量药物筛选等提供极其有力的可视化工具。

作者团队简介

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朱为宏(本文通讯作者),华东理工大学,教授,博士生导师,中国科学院院士。现任华东理工大学副校长、精细化工研究所所长。国家杰出青年基金获得者(2013年),科技部重点研发项目首席科学家,曾入选教育部长江学者特聘教授(2015年)、国务院特殊津贴(2018年)、上海市科技精英(2022年)、教育部新世纪优秀人才(2007年)、上海市学术带头人(2015年)。专业化学工程(应用化学),长期致力于光敏化学产品工程研究,在光敏化学产品稳定性强化、过程强化、高端化应用取得系列创新成果,推动荧光传感、高端防伪技术、变色眼镜、变色玻璃等光敏产业链的突破。迄今已在ScienceNatureNat. PhotonicsJ. Am. Chem. Soc.Angew. Chem. Int. Ed.ChemAdv. Mater.MatterNat. Commum.Energy Environ. Sci.Nat. Sci. Rev.Sci. China. Chem.CCS Chem.AIChE J.IECR等期刊上发表 SCI论文340余篇,共被SCI引用2.4万余次, H指数为82,科睿唯安化学领域“高被引科学家”(Highly Cited Researchers)。申请中国发明专利36项,其中28项已授权,曾获国家自然科学奖二等奖两项(2019年,第一完成人;2007年,第三完成人)、上海市自然科学奖一等奖两项(2017年,第一完成人;2006年,第三完成人)、上海市科技进步奖一等奖(2020年,第一完成人)、上海市牡丹奖等。

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燕宸旭(本文第一作者),华东理工大学,特聘副研究员。2018年于华东理工大学获博士学位,导师为朱为宏教授。曾获上海市青年科技启明星(2022年)、上海市“超级博士后”(2018年)。聚焦荧光传感精准度提升,基于染料分子新结构、激发态新机制、材料微环境调控新策略开展研究工作。已发表SCI论文50余篇,申请中国发明专利10项,已授权5项。以第一/共一/通讯作者发表论文22篇,包括Nat. Protocols (1篇)、Nat. Commun. (2篇)、Acc. Mater. Res. (1篇)、J. Am. Chem. Soc. (1篇)、Angew. Chem. Int. Ed. (4篇)、Chem. Sci. (3篇)、Sci. China. Chem. (1篇)、Adv. Funct. Mater. (1篇)、Coordin. Chem. Rev. (1篇)等。

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朱志荣,华东理工大学,博士后。于2022年获得华东理工大学博士学位,导师为朱为宏教授。研究方向为荧光诊疗探针。

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姚永康,华东理工大学,博士研究生。研究方向为近红外荧光染料与聚电解质组装体探针。

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王琪,华东理工大学,教授。研究领域为精细化工(荧光染料)。针对既有荧光染料在生物成像和诊疗应用中灵敏度低、输运准确性差、信号反馈滞后等诸多制约其广泛应用的问题,围绕如何提升荧光生物识别染料诊疗精准度的关键科学问题,借助化学产品工程的原理与方法发展了系列高性能、精细化的荧光染料提升检测准确性,通过研究考察载体材料的热力学驱动与动力学扩散行为构筑了靶向缓控释载体材料提升传递精准度,并深度融合荧光染料和载体材料构建了精准诊疗一体化平台。

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郭志前,华东理工大学,教授。主要从事精细有机化工研究领域,一直致力于突破染料在生物医药、信息材料、环境生态等交叉领域革新应用中的关键技术,开展高性能、精细化、可产品化的近红外荧光染料前沿基础研究。聚焦近红外染料理性设计及功能强化,发展了具有自主知识产权的喹啉腈母体染料新体系;探索建立了具有普适性的近红外染料设计策略;创新发展了染料纳米化的宏量制备新方法,采用的涡流瞬时沉淀法具有易推广、可控性好等显著优势。迄今共发表SCI论文86篇,其中以第一或通讯作者发表Chem. Soc. Rev.(2篇)、J. Am. Chem. Soc.(5篇)、Angew. Chem. Int. Ed.(5篇)、Nat. Protocols(1篇)、Nat. Commun.(1篇)、Adv. Mater.(1篇)、Chem. Sci.(8篇)、Ind. Eng. Chem. Res.(3篇)等,全部论文SCI他引6200余次(H指数39),申请发明专利12项,已授权3项。多项工作先后被Nature MethodsWiley Materials Views专栏等进行专题Highlight评述,多个喹啉腈荧光染料已实现商品化销售。申请国际PCT专利1项,中国发明专利12项,其中7项已授权,相关两个荧光染料已实现商品化。

扫码阅读朱为宏院士团队的精彩Account文章:

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Engineering Near-Infrared Fluorescent Probes Based on Modulation of Molecular Excited States

Chenxu Yan, Zhirong Zhu, Yongkang Yao, Qi Wang, Zhiqian Guo, and Wei-Hong Zhu*

原文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.3c00196

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