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科研|研究院宋桥课题组Adv. Mater.:超荧光染料——基于传统有机染料的超高亮度超分子荧光材料

发布时间:2024-04-08浏览次数:1415

       荧光材料是荧光生物成像领域的关键材料。近年来,由于荧光纳米粒子有可能克服小分子荧光染料和荧光蛋白在亮度和光稳定性上的瓶颈,其研究呈现指数级增长。提高荧光纳米粒子亮度的思路是将足够多的染料分子局限在尽量小的空间里,以提高染料的负载密度。然而,对于大多数传统有机染料而言,高负载量下可能会产生聚集荧光淬灭(ACQ)现象,导致荧光量子产率的降低。因此,仅通过提高染料负载量的方式,并不能无限制地提高纳米粒子的亮度,而是需要设计特殊的染料结构和负载方式来抑制ACQ的发生。另外,在水环境中,处于激发态的染料与周围水分子的能量转移过程是导致染料分子发光效率低的另一个重要因素。因此,将荧光染料置于疏水微环境中,避免水分子与染料分子之间的相互作用,亦能够提高发光效率。

       针对这一问题,南方科技大学宋桥课题组与Warwick大学Sébastien Perrier教授合作,发展了超高亮度超分子荧光材料(超荧光染料)的构筑策略。在前期工作(Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202311224)的基础上,他们对基于自组装环肽的超分子骨架进行创新性设计,以环肽-两亲性嵌段共聚物连接体为构筑基元,巧妙地引入疏水微区。然后通过将传统荧光染料共价连接到自组装环肽上,得到发光基元,与作为间隔基元的环肽-嵌段共聚物连接体在水溶液中共组装得到超荧光染料(图1)。这一策略既可以有效抑制染料的聚集荧光淬灭,又可以避免水对其荧光的淬灭,从而提高其荧光量子产率,构筑具有超高亮度的超荧光材料。这一策略不依赖于有机染料的性质,具有普适性,并且能够大幅提高近红外染料的亮度和稳定性。


1. 超荧光染料的设计思路



       作者选用6类常见的染料,包括多环芳烃类、香豆素类、BODIPY类、花青类、氧杂蒽类和方酸类,能够代表成千上万种有机染料,分别构筑了超荧光染料(图2)。结果表明,所有的超荧光染料在溶液态和干态下均表现出优异的发光性能,在水溶液中的单位体积亮度最高可达12060 M-1 cm-1 nm-3,接近文献所报道的最高值。这表明该超分子策略具有普适性,适用于不同类型的有机染料。


图2. 超荧光染料的光物理性质



       随后,作者以Supra-Cy5为例,探究了超荧光染料用于生物成像的可能性(图3)。尽管超荧光染料的组装驱动力是非共价相互作用,其仍然表现出优异的稳定性。研究表明,在水溶液中,超荧光染料能够在长时间内保持稳定,且其发光性能在不同水介质(生理盐水、缓冲液、培养基和血清等)中几乎没有变化。在较宽的浓度范围(0.39-50 μM)内,组装体既不会聚集,也不会发生解离。在干态条件下,材料的光谱与其水溶液保持一致,荧光量子产率高达33.2%。他们将Supra-Cy5与细胞共培养,发现与小分子Cy5或不含疏水微区的组装体相比,Supra-Cy5呈现更高的亮度。


图3. 超荧光染料的稳定性研究和细胞成像实验



       更重要的是,该策略能够大幅提高近红外染料的亮度和稳定性。如图4所示,作者基于近红外染料Cy7和ICG,分别构筑了近红外超荧光染料,均表现出显著增强的亮度(荧光量子产率分别提高至3.9倍、22.2倍)和光稳定性(光降解速率分别降低至4.4倍、22倍)。


4. 近红外超荧光染料的光物理性质



       综上所述,作者报道了一种利用传统荧光染料制备超高亮度荧光纳米粒子的普适性策略,有望推动生物成像等领域的进一步发展。

       这一成果近期发表在Adv. Mater. 上,南方科技大学深圳格拉布斯研究院为第一通讯单位,南方科技大学研究助理教授宋桥和Warwick大学教授Sébastien Perrier为共同通讯作者,南方科技大学硕士生雷雨晴、科研助理王雨乾和Warwick大学Sophie Hill博士为共同第一作者。该研究工作得到了国家自然科学基金委、广东省自然科学基金委、深圳市科创委和UKRI的资助与支持。文章详情: Supra-Fluorophores: Ultrabright Fluorescent Supramolecular Assemblies Derived from Conventional Fluorophores in Water Yuqing Lei, Yuqian Wang, Sophie K. Hill, Zihe Cheng, Qiao Song, Sébastien Perrier 文章链接: https://doi.org/10.1002/adma.202401346