理工學(xué)院唐本忠院士和趙征教授在A(yíng)CS Materials Letters上發(fā)表文章
近日，香港中文大學(xué)（深圳）理工學(xué)院唐本忠院士團(tuán)隊(duì)趙征教授在《ACS Materials Letters》發(fā)表題為 “Deep-Red Aggregation-Induced Emission Luminogen Based on Dithiofuvalene-Fused Benzothiadiazole for Lipid Droplet-Specific Imaging” 的文章。
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01《ACS Materials Letters》介紹
美國(guó)化學(xué)會(huì)出版部（American Chemistry Society）2019年推出期刊ACS Materials Letters，這份新的通訊期刊作為前沿性基礎(chǔ)和應(yīng)用研究的溝通平臺(tái)，為材料學(xué)與其他學(xué)科（包括化學(xué)、生物學(xué)和工程）交叉領(lǐng)域內(nèi)高質(zhì)并迫切的通訊提供便利，致力于以快速發(fā)布具變革性的材料學(xué)研究。收稿范圍包括最前沿和新興材料的設(shè)計(jì)、合成、表征和評(píng)價(jià)，材料結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和性能關(guān)系及深層機(jī)制的理解，能源、環(huán)境、生物醫(yī)藥、電子和催化材料的開(kāi)發(fā)。發(fā)文類(lèi)型主要有Letters、Reviews、Perspectives、Viewpoints、Previews和Materials Express。ACS Materials Letters 在2021年的影響因子為8.312，JCR分區(qū)Q1。
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02 研究背景
脂滴在許多生物過(guò)程中都扮演著不可或缺的角色，一旦脂滴出現(xiàn)功能異常將會(huì)導(dǎo)致眾多的疾病。因此，研究脂滴的生物活性就顯得至關(guān)重要。具有聚集誘導(dǎo)發(fā)光（AIE）性質(zhì)的紅光/近紅外熒光材料由于具有非侵入性、較大的斯托克斯位移、低光損害性和優(yōu)異的光穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，非常適合用于脂滴的成像和追蹤。與此同時(shí)，雙光子成像由于具有更高的分辨率和更深的穿透深度逐漸被人們關(guān)注和使用。
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03 研究方法
文章中作者合成了一種新的受體基團(tuán)BSM并將其用于制備一個(gè)新的深紅光AIE分子TPABSM（圖1）。該分子的發(fā)光波長(zhǎng)涵蓋了可見(jiàn)光和近紅外一區(qū)的范圍，并且展現(xiàn)出了很高的（13.0%）的固態(tài)熒光量子產(chǎn)率。該分子表現(xiàn)出優(yōu)異的雙光子成像性能，在不同的生物物質(zhì)水平，包括細(xì)胞、組織和活斑馬魚(yú)胚胎，都表現(xiàn)出對(duì)脂滴的高度特異性，在生物醫(yī)學(xué)研究中顯示出對(duì)于脂滴成像和跟蹤的巨大潛力。
作者首先研究了該分子的熒光性質(zhì)。在溶液態(tài)下TPABSM展現(xiàn)出了明顯的分子內(nèi)扭曲電荷轉(zhuǎn)移（TICT）的性質(zhì)，其在四氫呋喃溶液中發(fā)光波長(zhǎng)為672 nm但在甲苯溶液中的發(fā)光波長(zhǎng)則藍(lán)移至605 nm。固態(tài)下TPABSM呈現(xiàn)的是明亮的深紅熒光，其發(fā)光波長(zhǎng)波峰和熒光量子產(chǎn)率分別為670 nm和13.0%。通過(guò)分析TPABSM的晶體結(jié)構(gòu)作者發(fā)現(xiàn)，雖然分子間并無(wú)很強(qiáng)的??–??堆積，但多重非共價(jià)鍵相互作用的存在使得分子的構(gòu)型更加穩(wěn)定，最終提高了固態(tài)的熒光量子產(chǎn)率。
TPABSM優(yōu)異的深紅發(fā)光促使作者進(jìn)一步去探索了其在生物成像中的應(yīng)用，并通過(guò)MTT實(shí)驗(yàn)證實(shí)了TPABSM具有優(yōu)異的生物相容性。由于TPABSM是一個(gè)脂溶性熒光分子，并且分子中F原子的存在能夠進(jìn)一步提高脂溶性，因此作者重點(diǎn)探索了TPABSM在脂滴成像領(lǐng)域中的應(yīng)用。在細(xì)胞尺度的染色實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)將 Hela 細(xì)胞與 TPABSM 和 BODIPY 493/503 一起進(jìn)行共定位實(shí)驗(yàn)。TPABSM 的共定位系數(shù)高達(dá) 0.91，表明具有優(yōu)異的脂滴成像特異性。與 BODIPY 相比，TPABSM 由于其 AIE 性質(zhì)而表現(xiàn)出更好的光穩(wěn)定性。
TPABSM優(yōu)越的脂滴成像特異性引導(dǎo)作者進(jìn)一步探索其在組織成像中的應(yīng)用。通過(guò)比較正常和高脂肪喂養(yǎng)小鼠肝臟組織的圖像，在高脂肪喂養(yǎng)小鼠肝臟組織中觀(guān)察到明顯的深紅色發(fā)射。此外，BODIPY共染色實(shí)驗(yàn)顯示出高共定位系數(shù)（0.97），表明高脂肪喂養(yǎng)小鼠肝組織的脂滴也可以被 TPABSM 以高分辨率有效染色。同時(shí)，在組織中對(duì)比了TPABSM的單雙光子成像能力，雙光子成像的對(duì)比度和分辨率更高，穿透深度達(dá)到 72 μm，約為單光子成像的 4 倍（圖2）。這些優(yōu)異的性能表明 TPABSM 具有用于特定組織或體內(nèi)脂滴成像的潛力。
最后，作者進(jìn)一步探索了TPABSM在體內(nèi)原位成像的潛力。卵黃囊作為中性脂質(zhì)和極性磷脂儲(chǔ)存器官為斑馬魚(yú)的生長(zhǎng)提供能量。在用 TPABSM 染色30分鐘后觀(guān)察到來(lái)自 3 天大斑馬魚(yú)胚胎卵黃囊的強(qiáng)烈紅色熒光信號(hào)，表明 TPABSM 對(duì)脂滴具有高度特異性（圖3）。該初步結(jié)果表明 TPABSM 可用于定位卵黃囊中的脂滴，這對(duì)于觀(guān)察體內(nèi)脂滴相關(guān)的生物過(guò)程至關(guān)重要。此外，由于斑馬魚(yú)的卵黃囊為斑馬魚(yú)的胚胎發(fā)生提供能量和結(jié)構(gòu)脂質(zhì)，因此有望通過(guò) TPABSM 在體內(nèi)追蹤斑馬魚(yú)的脂質(zhì)代謝和易位。
圖1. 紅光AIE分子TPABSM的化學(xué)結(jié)構(gòu)、光譜信息和AIE特性
圖2. TPABSM在組織中的雙光子(A, B)和單光子(C, D)成像
圖3. TPABSM在斑馬魚(yú)胚胎中熒光成像圖
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04 研究結(jié)論
此工作中作者報(bào)導(dǎo)了一種新的深紅色AIE分子TPABSM，將其應(yīng)用于活細(xì)胞、組織和斑馬魚(yú)胚胎中的脂滴成像，表現(xiàn)出高度特異性和優(yōu)異的成像效果。該熒光分子利用與缺電子的二硫富瓦烯部分融合的苯并噻二唑作為強(qiáng)受體 (BSM) 來(lái)構(gòu)建 D-A 分子，以在 670 nm 處達(dá)到最大發(fā)射峰，固體量子產(chǎn)率為 13.0%。 TPABSM 的活組織成像實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)出優(yōu)異的雙光子成像性能，相比單光子成像，對(duì)比度和分辨率更高，穿透深度達(dá)到 72 μm，約為單光子成像的 4 倍。同時(shí)，TPABSM 可以作為各級(jí)生物層次優(yōu)異的脂滴探針，具有出色的雙光子成像性能，可以研究脂滴在細(xì)胞生理學(xué)中的復(fù)雜功能。
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05 作者簡(jiǎn)介
香港中文大學(xué)（深圳）唐本忠院士和趙征教授為本文通訊作者。
唐本忠，中國(guó)科學(xué)院院士、發(fā)展中國(guó)家科學(xué)院院士、亞太材料科學(xué)院院士、國(guó)際生物材料科學(xué)與工程學(xué)會(huì)聯(lián)合會(huì)“生物材料科學(xué)與工程Fellow”、英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)會(huì)士、國(guó)家自然科學(xué)基金基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，曾任廣東省引進(jìn)創(chuàng)新科研團(tuán)隊(duì)帶頭人、973計(jì)劃項(xiàng)目首席科學(xué)家、國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目負(fù)責(zé)人?，F(xiàn)任中國(guó)化學(xué)會(huì)常務(wù)理事、華南理工大學(xué)和德國(guó)威利出版社（Wiley）聯(lián)合期刊Aggregate主編、《中國(guó)科學(xué)：化學(xué)》副主編、《化學(xué)進(jìn)展》副主編、Adv. Polym. Sci. （Springer）編輯等。在國(guó)內(nèi)外頂尖雜志上發(fā)表論文1600余篇，他引十一萬(wàn)余次，h指數(shù)為151。曾先后獲得多項(xiàng)榮譽(yù)及獎(jiǎng)勵(lì)，如國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)（2017），何梁何利科學(xué)與技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)（2017）、第27屆夸瑞茲密?chē)?guó)際科學(xué)獎(jiǎng)（2014）、美國(guó)化學(xué)會(huì)高分子學(xué)術(shù)報(bào)告獎(jiǎng)（2012）、國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)（2007）、裘槎高級(jí)研究成就獎(jiǎng)（2007）、中國(guó)化學(xué)會(huì)高分子基礎(chǔ)研究王葆仁獎(jiǎng)（2007）和愛(ài)思唯爾出版社馮新德聚合物獎(jiǎng)（2007）等。
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趙征，香港中文大學(xué)（深圳）理工學(xué)院助理教授，博導(dǎo)，校長(zhǎng)青年學(xué)者。趙征教授于中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所取得博士學(xué)位，后赴香港科技大學(xué)化學(xué)系進(jìn)行博士后研究，2021年加入香港中文大學(xué)（深圳）理工學(xué)院擔(dān)任助理教授開(kāi)展研究工作。近年來(lái)圍繞激發(fā)態(tài)的分子運(yùn)動(dòng)調(diào)控，對(duì) AIE 分子的發(fā)光機(jī)理、構(gòu)-效關(guān)系以及功能性以及應(yīng)用探索等進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究，在提高 AIE 分子的電荷傳輸和發(fā)光效率、發(fā)展固態(tài)分子運(yùn)動(dòng)調(diào)控的策略、揭示激發(fā)態(tài)分子運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)等方面取得了一系列創(chuàng)新性的研究成果。 已在Nat. Commun、Angew. Chem. Int. Ed.、Matter、ACS Nano.、Adv. Mater、Adv. Funct. Mater.、Nat. Sci. Rev、Mater. Today、Chem. Sci.等國(guó)際頂級(jí)期刊發(fā)表論文70余篇，論文總計(jì)被引用3800余次，H-index為37。目前兼任科學(xué)出版社聚集誘導(dǎo)發(fā)光系列叢書(shū)編委，National Science Review雜志編委，Aggregate雜志顧問(wèn)編委，Chinese Chemical Letters青年編委，National Science Review雜志客座編輯，Biomaterials雜志客座編輯。
本文第一作者：
余穎博士2021年博士畢業(yè)于香港科技大學(xué)理學(xué)院，2021年加入香港中文大學(xué)（深圳）理工學(xué)院分子聚集體科學(xué)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行博士后研究。余博士長(zhǎng)期從事紅色/近紅外新型AIE小分子的開(kāi)發(fā)和研究，并探索其在光電器件和生物成像等方面的應(yīng)用，取得一系列的研究成果，已發(fā)表SCI論文三篇并參與撰寫(xiě)專(zhuān)著一章。
邢浩博士和Hojeong Park博士為共同一作。
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文章轉(zhuǎn)自理工學(xué)院微信公眾平臺(tái)，鏈接為https://mp.weixin.qq.com/s/XJt-FFMIcDDNmigl5HkshQ
