《先進材料》AIE材料用於超分辨生物成像

2014年諾貝爾化學獎被頒發給了3位發明超分辨熒光顯微系統的科學家，因其傑出的貢獻為亞細胞尺度的光學研究方法翻開了新的篇章。3位諾貝爾獎得主中，Stefan Hell教授所發明的超分辨顯微術被稱作「受激輻射光擦除法」（Stimulated emission depletion，STED）。近日，浙江大學的錢駿教授團隊和香港科技大學的唐本忠院士團隊提出，聚集誘導熒光（Aggregation induced emission，AIE）納米顆粒用於STED超分辨成像具有得天獨厚的優勢，並首次實現了AIE材料在細胞內的STED成像，其成像分辨能力高達30 nm。這一成果近期發表在《Advanced Materials》（IF=19.791）上，第一作者是浙江大學博士生李東宇。

熒光顯微成像技術因其高分辨力和低侵入性，已成為生物醫學研究和診療中重要的觀測手段。但是，由於光學衍射極限的存在，傳統的光學顯微術的分辨能力在200 nm左右，無法滿足亞細胞尺度的觀測需求，而超分辨顯微技術則打破了技術瓶頸，實現了超越光學衍射極限的分辨能力。作為超分辨顯微術的一種，STED的基本原理如下：一束符合光學衍射極限的激光作為激發光，把熒光探針的電子激發到激發態；另一束激光作為擦除光，其光斑經過調製，中心能量很低，形成類似「甜甜圈」的光斑，被激發光激發後的熒光探針在被擦除光照射後，將發生與擦除光波長相同的受激輻射，只有處於擦除光中心沒有能量的部分會發射熒光。如此一來，發射熒光的半徑是由「甜甜圈」的中心半徑決定的，而不是激發光的半徑決定的，即小於衍射極限半徑。

STED顯微成像對熒光探針的要求極為苛刻，首先，熒光材料需要具備很高的受激輻射效率，這樣一來才能獲得較好的「擦除」效果；其次，熒光材料需要極高的光穩定性，因為一般來說擦除光都是功率很高的激光，如果熒光探針容易被光漂白就無法實現STED成像；除此之外，熒光材料還需要具備較大的斯托克斯頻移，否則如果擦除光能被熒光材料吸收並發射熒光，會極大地影響成像效果。目前上轉換材料、量子點和一些有機染料都被用於STED，但是上轉換材料的熒光壽命太長，使得成像速度很慢，難以實現對生命過程的實時觀察；量子點普遍斯托克斯頻移很小，使得成像效果不盡如人意；傳統的有機染料雖然生物兼容性最好，且靶向性強，但是普遍斯托克斯頻移不大，並且光穩定性不好，難以實現長時間的觀測。為了提高有機染料探針的光穩定性，可以將染料包覆形成局部濃度很高的納米顆粒，但是由於傳統有機染料的聚集熒光猝滅（Aggregationcaused quenching， ACQ）特性，使得納米顆粒的熒光效率急劇降低，這就與包覆染料的初衷相悖。香港科技大學的唐本忠團隊在2001年發明的聚集誘導熒光（Aggregationinduced emission， AIE）材料剛好克服了這一缺點，在高濃度或聚集狀態時熒光效率急劇上升，使得此類染料特別適合用在STED成像上。

由於AIE材料兼具有機染料生物毒性小、靶向性高的優勢和自身斯托克斯頻移大，以及聚集後熒光效率高、光穩定性強的特性，浙江大學錢駿團隊在2015年首次提出AIE納米顆粒具有STED超分辨成像潛力後，近日更是首次將其實際運用到細胞顯微成像中。報道中選用的AIE材料是一種已被用於各種細胞追蹤、靶向標記的「明星分子」，TPE-TPA-FN，其包覆形成的納米顆粒表現出很高的受激輻射擦除效率，在平均功率312.5 mW的皮秒擦除光作用下，能「擦掉」60%的熒光，也因此在後續的細胞實驗中得到了30 nm的高分辨力。更令人驚喜的是，由於其極高的光穩定性，在被峰值功率極高的擦除光連續照射半小時以上後，其熒光強度依然能夠達到初始強度的70％，這意味著它能夠對生命過程進行長時間的、實時的超分辨觀測。

自AIE材料被發明以來，十幾年間，已經被廣泛應用於細胞器靶向、胞內黏度探測、生物大分子的追蹤以及癌症治療。AIE材料可以被用作超分辨成像探針，無疑是一個重要的發現，它意味著許許多多納米尺度的生命過程可以被觀察、研究，意味著更多生命的秘密得以被人類破解。

全文鏈接：

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201703643/full

來源：求是光電BiophotonicsQ

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