浙江大学钱骏团队Adv. Mater.: AIE材料用于STED超分辨生物成像

Allen 7年前 (2017-10-12) 6766浏览

【背景介绍】

荧光显微成像技术因其高分辨力和低侵入性，已成为生物医学研究和诊疗中重要的观测手段。但是，由于光学衍射极限的存在，传统的光学显微术的分辨能力在200 nm左右，无法满足亚细胞尺度的观测需求，而超分辨显微技术则打破了技术瓶颈，实现了超越光学衍射极限的分辨能力。STED超分辨显微术的发明者Stefan Hell因这项技术与PALM超分辨显微术的发明者共同获得了2014年诺贝尔化学奖，STED显微术也因其极高的分辨能力而受到广泛关注。

STED超分辨技术的基本原理如下：一束符合光学衍射极限的激光作为激发光，把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，被激发光激发后的荧光探针在被擦除光照射后，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”的中心半径决定的，而不是激发光的半径决定的，即小于衍射极限半径。

但是，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，因为一般来说擦除光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被用于STED，但是上转换材料的荧光寿命太长，使得成像速度很慢，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，使得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，但是普遍斯托克斯频移不大，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，可以将染料包覆形成局部浓度很高的纳米颗粒，但是由于传统有机染料的聚集荧光猝灭（Aggregation caused quenching， ACQ）特性，使得纳米颗粒的荧光效率急剧降低，这就与包覆染料的初衷相悖。

【成果简介】

北京时间2017年10月4日，浙江大学钱骏教授，香港科技大学唐本忠院士（共同通讯作者）等人在Advanced Materials上发表了最新研究成果“AIE Nanoparticles with High Stimulated Emission Depletion Efficiency and Photobleaching Resistance for Long-Term Super-Resolution Bioimaging”。该团队报道了AIE材料聚集诱导荧光（Aggregation induced emission， AIE）纳米颗粒用于STED超分辨成像具有得天独厚的优势，在钱骏教授于2015年首次提出AIE纳米颗粒具有STED超分辨成像潜力后实现了AIE材料在细胞内的STED成像。与传统有机染料的ACQ效应截然相反，唐本忠院士团队于2001年发明的AIE材料在高浓度或聚集状态时荧光效率急剧上升，这使得它的分子聚集后荧光效率高、光稳定性强，加之AIE材料的斯托克斯频移较大，且兼具有机染料生物毒性小、靶向性高的优势，非常适合用作STED显微成像的荧光探针。报道中选用的AIE材料是一种已被用于各种细胞追踪、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的皮秒擦除光作用下，能“擦掉”60%的荧光，也因此在后续的细胞实验中得到了30 nm的高分辨力。更令人惊喜的是，由于其极高的光稳定性，在被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％，这意味着它能够对生命过程进行长时间的、实时的超分辨观测。

自AIE材料被发明以来，十几年间，已经被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材料可以被用作超分辨成像探针，无疑是一个重要的发现，它意味着许许多多纳米尺度的生命过程可以被观察、研究，意味着更多生命的秘密得以被人类破解。

本工作在开展期间获得了上海宇北医疗器械有限公司的大力支持；并得到了国家重点基础研究发展计划（2013CB834701和 2013CB834704）、浙江省杰出青年科学基金（LR17F050001）等资助，在此一并表示感谢。

【图文导读】

图1 AIE纳米颗粒合成方法