Science Advance刊登陈洪渊院士团队“纳米激光探针

近日,我校化学化工学院陈洪渊院士团队在基于等离子体激光体系的发光探针方面取得重要进展,相关成果以“Three-level spaser for next-generation luminescent nanoprobe”为题于2018年8月17日在Science Advances上发表(Science Advances17 Aug 2018, Vol. 4, no. 8, eaat0292; DOI: 10.1126/sciadv.aat0292)。化学化工学院博士研究生宋沛与王建花为论文共同第一作者,陈洪渊院士、徐静娟教授和康斌副教授为论文共同通讯作者。

 近日美国化学学会国际顶级期刊《Journal of the American Chemical Society》刊发了华中大武汉光电国家研究中心舒学文教授与化学与化工学院朱锦涛教授、南京邮电大学材料科学与工程学院赵强教授合作论文“细胞穿膜肽转运非共价连接的热致延迟荧光纳米粒子用于时间分辨的发光成像”。舒学文教授、朱锦涛教授和赵强教授为共同通讯作者,华中大武汉光电国家研究中心博士后朱泽策和化学与化工学院博士后田迪为论文共同第一作者;华中大为论文第一单位。

现代生命科学和医学的高度发达,很大程度上依赖于发光探针的先进性及其发展。过去的几十年,人类创造出一系列的发光物质,并得以在基础研究、医学诊断及化学工业等多个层面广泛应用。这些发光探针包括:有机荧光染料、半导体量子点、荧光蛋白、上转换荧光材料、生物发光分子等等。使用不同颜色的发光探针,可观测生物体系中多种生物分子的协同行为,或同时分析多种特征的疾病标志物。上述发光探针的发光行为都是基于自发辐射,具有较宽的发射光谱分布。这种宽谱的发光特征,从物性限制了同时标记和检测的发光探针的种类不过4-5种。如能从物性根源上改变发光探针的发光行为,使其发光呈现出类似激光的单色性,有望大大拓展生命分析的容许通道数。然而,之前报道的二能级等离子激光体系离实际生物应用还有较大的距离。要在纳米尺度内实现光的受激辐射放大,必须对增益介质和谐振腔内的电子跃迁和能量转移实施精准的设计和调控,以降低激射阈值、延长激射时间,满足实际生物应用的要求。在激光基础理论的启发下,该研究团队通过设计增益介质的电子能级,利用电子的三重激发态跃迁,第一次在实验上构建了三能级的等离子体激光探针。 受益于三重激发态的长寿命以及自旋禁阻的量子规则,实现了~3 nm的激射线宽,~102μs的发光寿命,以及低至1 mJ cm−2的激射阈值(较之前降低了2个数量级)。已能与常规生物检测仪器(如共聚焦显微镜、流式细胞仪)相兼容。该探针设计理念的建立,为下一代新型发光探针的设计、开发和应用具有重要指导意义。

具有长寿命激发态的荧光磷光探针在时间分辨生物成像中具有重要的应用。相对于稳态荧光成像,时间门控成像或荧光寿命成像等时间分辨技术可以选择性检测长寿命的发光,达到去除散射光和生物自荧光干扰的目的。大多数长寿命激发态的生物探针为过渡金属配合物或无机金属粒子材料,主要是磷光材料。为了避免过渡金属的毒副作用,人们一直在发展无金属的长寿命激发态材料。延迟荧光材料是近些年发展的一类重要的非金属荧光材料,在有机发光二极管领域应用广泛。这类材料的长寿命荧光源于激发三重态的反向系间窜越,其寿命通常在微秒至毫秒量级,与一般的过渡金属配合物的激发态寿命相当,因而是非金属型长寿命激发态探针的强力候选。

该项研究得到了国家自然科学基金委重大科研仪器研制项目、 重点项目及面上项目,江苏省优势学科等项目的资助。

然而,分子运动容易导致延迟荧光激发态的非辐射弛豫,而且激发三重态易被氧分子猝灭,导致其在溶解状态下的的发光较弱,难以运用在生物成像中。近些年虽然有一些工作尝试将延迟荧光分子探针用于时间分辨的生物成像,但是应用范围非常有限。为此,人们发展了延迟荧光纳米探针,使用两亲聚合物包裹疏水的延迟荧光分子形成纳米粒子,进而用于生物成像。但是,这些纳米粒子大多缺乏生物相容性,不能快速进入细胞,以至于需要数小时的孵育时间,不利于实时荧光成像。

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基于上述背景,本工作首次将细胞穿膜肽用于延迟荧光纳米粒子的细胞跨膜转运:构建了一条由六聚苯丙氨酸、六聚甘氨酸和八聚精氨酸组成的一条两亲性穿膜肽,用于组织延迟荧光纳米粒子。该肽链的八聚精氨起穿膜作用,六聚苯丙氨酸为疏水端,可通过非共价的疏水作用结合一些水不溶的延迟荧光分子。通过一步自组装的方法,该肽链可以与三个经典的疏水延迟荧光分子分别组装形成不同荧光颜色的纳米粒子。

图1: 基于三能级等离子激光体系的“纳米激光探针”

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(化学化工学院 科学技术处)

图1、两亲性穿膜肽与延迟荧光分子组装形成纳米粒子

经过方法优化,可形成粒径在90-300 nm范围内的粒子,在这些粒子表面附着的穿膜肽作用下,这些粒子可以较好分散在水溶液中,并可以较快进入细胞。荧光共聚焦成像和流式细胞术结果表明,经过5分钟孵育就可以检测到细胞内有这些粒子的荧光信号,充分说明了穿膜肽可介导非共价连接的粒子进行跨膜转运。此外,由于疏水分子聚集在粒子内部,可以有效抑制氧分子的扩散和分子的非辐射热弛豫,因而这些粒子在室温有氧条件下也具有长寿命的延迟荧光,粒子在有氧条件下的寿命在微秒级以上,通过几十到数百纳秒的延迟,这些长寿命发光信号可以与散射光、短寿命自荧光区分开来。时间分辨荧光成像结果表明,经过1小时的孵育后,可以显著检测到细胞内的长寿命荧光信号。

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