【分析】聚集诱导发光纳米探针用于STED超分辨荧光成像- 大数跨境

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2018-02-25

导读：浙江大学的钱骏教授团队和香港科技大学的唐本忠院士团队发展的聚集诱导发光纳米颗粒用于突破衍射极限的超分辨荧光显微成像具有得天独厚的优势，并首次实现了AIE材料在细胞内的STED成像，其成像分辨率高达30

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荧光显微成像技术具有高分辨率和低侵入性，已成为生物医学研究和诊疗中重要的观测手段。但由于光学衍射极限的存在，传统光学显微技术的分辨率在200 nm左右，无法满足亚细胞尺度的观测需求。近日，浙江大学的钱骏教授团队和香港科技大学的唐本忠院士团队发展的聚集诱导发光（Aggregation induced emission，AIE）纳米颗粒用于突破衍射极限的超分辨荧光显微成像具有得天独厚的优势，并首次实现了AIE材料在细胞内的STED成像，其成像分辨率高达30 nm。

2014年的诺贝尔化学奖颁发给了3位发明超分辨荧光显微成像的科学家，该技术为亚细胞尺度的光学研究开启了新的篇章。3位诺贝尔奖得主中，Stefan Hell教授发展的超分辨显微技术称作“受激辐射光擦除法”（Stimulated emission depletion，STED），其基本原理如下：一束符合光学衍射极限的激光作为激发光，将荧光探针的电子激发到激发态；另一束激光作为擦除光，其光斑经过调制，中心能量很低，形成类似“甜甜圈”的光斑，激发光激发后的荧光探针经擦除光照射后，将发生与擦除光波长相同的受激辐射，只有处于擦除光中心没有能量的部分会发射荧光。如此一来，发射荧光的半径是由“甜甜圈”的中心半径决定，而非激发光的半径决定，即小于衍射极限的半径，信号接收端只需要将受激辐射光滤除，只接收荧光，便可以得到小于衍射极限的分辨率。

STED显微成像对荧光探针的要求极为苛刻。首先，荧光材料需要具备很高的受激辐射效率，这样一来才能获得较好的“擦除”效果；其次，荧光材料需要极高的光稳定性，而擦除光通常都是功率很高的激光，如果荧光探针容易被光漂白，就无法实现STED成像；除此之外，荧光材料还需要具备较大的斯托克斯频移，否则如果擦除光能被荧光材料吸收并发射荧光，会极大地影响成像效果。目前上转换材料、量子点和一些有机染料都已用于STED，但是上转换材料的荧光寿命太长，成像速度很慢，难以实现对生命过程的实时观察；量子点普遍斯托克斯频移很小，使成像效果不尽如人意；传统的有机染料虽然生物兼容性最好，且靶向性强，但是斯托克斯频移普遍不大，并且光稳定性不好，难以实现长时间的观测。为了提高有机染料探针的光稳定性，人们可以将染料包覆形成局部浓度很高的纳米颗粒，但由于传统有机染料具有聚集荧光淬灭（Aggregation caused quenching，ACQ）的特性，纳米颗粒的荧光效率急剧降低，与包覆染料的初衷相悖。香港科技大学的唐本忠团队在2001年发明的聚集诱导荧光（Aggregation induced emission，AIE）材料刚好克服了这一缺点，在高浓度或聚集状态时荧光效率急剧上升，促使此类染料特别适合用于STED成像。

由于AIE材料兼具有机染料生物毒性小、靶向性高的优势和自身斯托克斯频移，以及聚集后荧光效率高、光稳定性强的特性，浙江大学的钱骏团队在2015年首次提出AIE纳米颗粒具有STED超分辨成像潜力后，近日更是首次将其应用到细胞显微成像中。报道中选用的AIE材料是一种用于各种细胞追踪、靶向标记的“明星分子”——TPE-TPA-FN，其包覆形成的纳米颗粒表现出很高的受激辐射擦除效率，在平均功率312.5 mW皮秒擦除光的作用下，能“擦掉”60%的荧光，也因此在后续的细胞实验中得到30 nm的高分辨率。更令人惊喜的是，由于TPE-TPA-FN具有极高的光稳定性，峰值功率极高的擦除光连续照射半小时以上后，其荧光强度依然能够达到初始强度的70％，意味着能够对生命过程进行长时间、实时的超分辨观测。

AIE材料发展十几年以来已广泛应用于细胞器靶向、胞内黏度探测、生物大分子的追踪以及癌症治疗。AIE材料可以用作超分辨成像探针无疑是一个重要的发现，意味着许许多多纳米尺度的生命过程可以得到观察、研究，更多生命的秘密得以破解。相关成果发表在Advanced Materials 上，文章的第一作者是浙江大学的博士生李东宇。

该论文作者为：Dongyu Li, Wei Qin, Bin Xu, Jun Qian, Ben Zhong Tang

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