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双管齐下:分子工程与纳米材料改性的组合新策略,攻克有机荧光染料在水性介质中的ACQ和荧光漂白的难题

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近红外荧光染料被广泛应用深层组织及活体荧光成像研究中。这是利用近红外光(NIR相比可见光具有更深的组织穿透能力和受生物自发荧光干扰小等优势点。然而,传统近红外荧光染料在水性环境中普遍存在发光强度低和光稳定性差的缺陷限制了其在高质量生物荧光成像和肿瘤的光动力治疗Photodynamic Therapy, PDT等生物医学应用中的发展!近年来,荧光二氧化硅纳米粒子fluorescent silica nanoparticlesFSNPs受到化学生物学和纳米材料领域研究人员的广泛关注这是由于二氧化硅化学惰性、热稳定性、光学透明性、良好的生物相容性等特性,是环境敏感的有机荧光染料的理想载体,为解决近红外荧光染料上述固有缺陷提供了可能。但是研究发现,传统有机荧光染料(如花菁染料、荧光素、BODIPY等)掺杂的FSNPs在水溶液中仍存在如下明显缺点:(1)纳米二氧化硅的亲水特性和多孔结构,致使水和氧气分子的深层向内扩散和渗透,会造成溶剂化效应显著的有机荧光染料极易受到外部环境的影响,极大降低其激发态寿命和发光效率;(2)传统有机荧光染料分子在纳米尺度下极易发生聚集荧光淬灭(Aggregation-caused quenchingACQ现象,造成荧光信号显著减弱甚至消失;(3)水和氧气分子的向内渗透和扩散,使得处于激发态的有机荧光染料通过电子转移途径产生的O2及其与周围水分子反应生成的H2O2•OH等强氧化性活性氧类物质(Reactive Oxygen Species, ROS),在生物荧光成像或肿瘤的光动力治疗过程中可能对染料本身造成不可逆的荧光漂白(Photobleaching这些缺点严重限制了FSNPs光物理性能的进一步提升、降低了生物荧光成像质量和肿瘤PDT效果

精细化工国家重点实验室彭孝军院士团队宋锋玲老师一直致力于有机荧光染料和荧光纳米粒子的光物理现象、及其在生物荧光成像等生物医学领域的创新应用研究。在最近的研究中,他们基于前期工作(J. Mater. Chem. B, 2017, 5, 5278-5283; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 25750-25757; Chem. Commun., 2019, 55, 14522-14525),提出了基于分子工程和纳米材料改性的组合新策略(图1),双管齐下,攻克了传统有机荧光染料在水性介质中的ACQ和荧光漂白的难题,实现了FSNPs在肿瘤细胞内长时间、高亮荧光成像和稳定的PDT过程。即通过分子工程策略对共价掺杂的近红外氨基菁染料进行分子结构优化设计、并结合纳米材料改性策略在FSNPs内部构建纳米疏水笼”结构提供了一个相对非极性微环境,来同时攻克FSNPs发生在水性介质中的上述缺陷。研究人员通过改性的反相微乳液法制备了一系列掺杂不同结构菁染料和正辛基三乙氧基硅烷(OTES)改性的FSNPs。通过对其在水中荧光寿命、相对荧光强度和抗光漂白等光物理性能的系统分析,验证了增加染料分子中共价掺杂锚定位点和位阻基团数量、以及OTES构建的“纳米疏水笼”结构对强化FSNPs光物理性能的积极作用。即通过增加共价掺杂锚定位点和位阻基团数量使得染料分子在纳米粒子内部运动受限而减少非辐射跃迁能量衰变,同时又避免了因π−π堆积而导致的ACQ现象。于此同时,利用OTES分子内烷基链的疏水特性构建的“纳米疏水笼”结构为掺杂的染料分子提供了一个相对的非极性微环境,进而抑制外部水分子渗透而不会阻碍氧气分子的自由扩散,避免了染料通过电子转移途径产生的ROS对其光氧化而导致的光漂白现象。最终的实验结果表明:FSNPs相比于自由染料在水溶液中有12.3倍的荧光强度提升和增强的抗光漂白能力,并在肿瘤细胞荧光成像过程中经过连续激光扫描300秒后仍保留有90.1%的初始荧光强度。最后在2D3D肿瘤细胞模型的PDT过程中也表现出极佳的PDT稳定性。因此,这种组合策略为合理调控FSNPs内部微环境及强化光物理性能、开发高性能FSNPs提供了新思路!

1. FSNPs内部有机荧光染料的封装方式和纳米疏水笼结构

该研究成果以Research Article形式发表在国际学术期刊ACS Central Science上(原文链接:https://doi.org/10.1021/acscentsci.0c00071大连理工大学博士研究生焦龙文章第一作者,宋锋玲教授文章通讯作者,以上工作得到了国家自然科学基金和山东省生态化工协同创新中心人才基金的支持

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