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2014年山東大學(xué)宋鋒玲教授團(tuán)隊(duì)曾開(kāi)發(fā)出一款TADF熒光染料，由于解決了一般染料疏水性問(wèn)題，因此被廣泛用于生物成像，尤其是活細(xì)胞的時(shí)間分辨熒光成像中。

但這種一代TADF染料(Ⅰ)的發(fā)光信號(hào)，在大氣和水環(huán)境中很容易被氧氣和水猝滅，導(dǎo)致成像信號(hào)強(qiáng)度發(fā)生損失，這一點(diǎn)也成為宋教授團(tuán)隊(duì)一直以來(lái)的攻克重點(diǎn)。

近日，好消息傳來(lái)，宋教授團(tuán)隊(duì)巧妙采用納米封裝法對(duì)一代TADF染料進(jìn)行升級(jí)，成功制備出新型熒光材料——TADF染料 Ⅱ，解決了信號(hào)猝滅問(wèn)題。讓我們跟隨課題組看看研究是如何進(jìn)行的~

納米封裝法助力TADF染料華麗升級(jí)

納米封裝法其實(shí)是一個(gè)常規(guī)方法，即通過(guò)對(duì)熒光染料分子進(jìn)行包裹，從而隔絕氧氣。但在本研究中，宋教授團(tuán)隊(duì)別出新意，他們?cè)诎鼤r(shí)進(jìn)行了特殊處理，終得到不一樣的結(jié)果:

• 首先，研究人員制備出TADF染料分子Ⅰ。

• 接著，將TADF染料Ⅰ共價(jià)錨定在SiO₂納米顆粒內(nèi)部。

  不同之處就在這里，研究人員終選擇錨定在內(nèi)部而非外部，因?yàn)榻?jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，他們發(fā)現(xiàn)：將TADF染料Ⅰ錨定在外部時(shí)，信號(hào)依舊猝滅；相反，錨定在內(nèi)部卻能解決這一問(wèn)題。

• 終，研究人員基于上述方法，制備出一種新型熒光材料——TADF染料Ⅱ（研究人員將之命名為NP-2）， 從而實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)的發(fā)光壽命。

Tips: 之所以會(huì)選擇SiO₂納米顆粒來(lái)封裝TADF染料，一來(lái)是因?yàn)镾iO₂比較常見(jiàn)，二來(lái)因?yàn)槠湫再|(zhì)穩(wěn)定、價(jià)格便宜，但重要的是SiO₂作為親水性化合物，生物相溶性也非常好。

圖1 制備NP-2納米粒子的示意圖

制備染料分子DCF-BYT(TADF染料Ⅰ)，得到封裝前驅(qū)體

DCP-BYT-SI，對(duì)其進(jìn)行內(nèi)部封裝，終得到NP-2

那么，問(wèn)題來(lái)了，研究人員是如何驗(yàn)證“TADF染料Ⅱ不會(huì)被氧氣和水猝滅”的呢？別急，讓我們一起看看宋教授團(tuán)隊(duì)的驗(yàn)證過(guò)程。

那么，問(wèn)題來(lái)了，研究人員是如何驗(yàn)證“TADF染料Ⅱ不會(huì)被氧氣和水猝滅”的呢？別急，讓我們一起看看宋教授團(tuán)隊(duì)的驗(yàn)證過(guò)程。

驚艷！毫秒級(jí)發(fā)光壽命令人興奮！

首先，他們使用DeltaFlex熒光光譜儀，測(cè)試NP-2（即升級(jí)后的熒光材料）在PBS鹽溶液中的熒光壽命。

之所以采用DeltaFlex熒光光譜儀，是因?yàn)樗蓸颖憬?，信?hào)采集速度快，且能夠滿足ps~s的壽命范圍測(cè)試，搭配不同檢測(cè)器，可覆蓋230~1700nm波長(zhǎng)范圍，能夠滿足本次實(shí)驗(yàn)要求。

經(jīng)過(guò)測(cè)試，研究人員發(fā)現(xiàn)：無(wú)論是在大氣還是氮?dú)庀?，PBS鹽溶液中的NP-2，其熒光延遲壽命都保持在毫秒級(jí)，可見(jiàn)NP-2的發(fā)光信號(hào)并未被O₂猝滅。

圖2 PBS緩沖液中NP-2的熒光壽命衰減曲線

c為空氣中，d為 N₂中，NP-2發(fā)光壽命

都保持在毫秒級(jí)（橫坐標(biāo)）

接著，宋教授團(tuán)隊(duì)又進(jìn)一步檢測(cè)NP-2在大氣水環(huán)境中的發(fā)光壽命，發(fā)現(xiàn)NP-2依舊能夠獲得9.33 ms的毫秒級(jí)超長(zhǎng)發(fā)光壽命。

以上都說(shuō)明：封裝納米法制得的新型TADF染料Ⅱ——NP-2，能夠有效避免水和氧氣對(duì)發(fā)射信號(hào)的猝滅，并獲得毫秒級(jí)的超長(zhǎng)發(fā)光壽命。

升級(jí)！TADF染料Ⅱ或成生物成像新寵

不僅是超長(zhǎng)的發(fā)光壽命，宋教授團(tuán)隊(duì)在一系列的表征中還發(fā)現(xiàn)，NP-2具備多種優(yōu)勢(shì)，使其在生物細(xì)胞成像領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

首先NP-2熒光納米顆粒細(xì)胞毒性比較低，生物相溶性良好。圖3為NP-2進(jìn)行染色后的細(xì)胞，紅色部分為細(xì)胞質(zhì)。我們能看出，NP-2作為一種小的親水的SiO₂納米顆粒，很好的完成了對(duì)細(xì)胞質(zhì)的染色，足以說(shuō)明它的細(xì)胞活性良好，這為生物成像奠定了基礎(chǔ)。

圖3 細(xì)胞被NP-2染色后的共聚焦成像圖

其次，NP-2熒光材料的生物成像效果也非常理想。宋教授團(tuán)隊(duì)對(duì)NP-2進(jìn)行了熒光壽命成像(圖4)，通過(guò)右圖我們可以清楚地看到染料在細(xì)胞不同位置的分布。

由此，基于以上的表征實(shí)驗(yàn)，研究人員驗(yàn)證了NP-2在活細(xì)胞的時(shí)間分辨熒光成像領(lǐng)域應(yīng)用的光明前景，也為細(xì)胞生物學(xué)和臨床應(yīng)用開(kāi)辟了新的可能性。

圖4  NP-2在HeLa細(xì)胞的體外時(shí)間分辨熒光成像（FLIM）圖

科研創(chuàng)新永無(wú)止境，但是很多創(chuàng)新與發(fā)明與其說(shuō)是全新產(chǎn)物不如說(shuō)是迭代產(chǎn)物，正如本研究中發(fā)現(xiàn)的TADF染料Ⅱ，就是在一代染料基礎(chǔ)上的升級(jí)改良。

這種科研思路的妙處是問(wèn)題明確，目標(biāo)篤定、節(jié)省時(shí)間。不僅科研領(lǐng)域，在其他領(lǐng)域以及生活中，我們都需要有這樣的思維方式來(lái)推陳出新以達(dá)到萬(wàn)象更新，怎么樣，奮斗中的小伙伴，是不是豁然開(kāi)朗了？

文章作者&論文原文

宋教授團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)工作近期在線發(fā)表于Chemical Communications感興趣的同學(xué)可以自行去查看學(xué)習(xí)更詳細(xì)的內(nèi)容。

題目&雜志：Achieving long-lived thermally activated delayed fluorescence in the atmospheric aqueous environment by nano-encapsulation. Chem. Commun., 2019,55, 14522-14525

作者：Yingnan Wu, Long Jiao, Fengling Song, Miaomiao Chen, Dapeng Liu, Wei Yang, Yuming Sun, Gaobo Hong, Lingge Liu and Xiaojun Peng.

作者：吳鎣男博士生、焦龍博士生

通訊作者：宋鋒玲教授、劉大鵬博士

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