南开大学元素有机重点实验室

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南开大学实现光氧化驱动的纯有机室温磷光用于溶酶体靶向成像

来源:科学网   发布时间:2021/08/24    浏览次数:

日前,南开大学化学学院刘育课题组发现光氧化驱动的纯有机室温磷光超分子体系能够实现细胞核和溶酶体双靶向定位成像,这极大地拓展了超分子体系的应用范围。

相关研究成果以“Photooxidation-Driven Purely Organic Room-Temperature Phosphorescent Lysosome-Targeted Imaging”为题,于2021年8月19日发表在Journal of the American Chemical Society上。南开大学化学学院刘育教授和张瀛溟副教授为本文共同通讯作者,南开大学化学学院博士研究生虞华江为论文第一作者。

纯有机室温磷光由于其寿命长、斯托克斯位移大等特点,在生物成像、有机发光二极管和光学开关等方面被广泛应用。其中,水相室温磷光由于容易区分短寿命的背景荧光,从而在时间分辨生物成像领域具有重要应用价值。然而,由于水溶液中高浓度溶解氧和分子运动引起的淬灭,在水相中实现高效室温磷光发射仍然是一项颇具挑战性的工作,这也使得其在细胞成像应用方面受到了极大的限制。目前特异性的细胞染色体系主要是将不同的细胞器靶向剂通过共价键连接到发色团上来实现的,这通常需要繁琐的化学合成或反复的纯化分离过程,因此开发新的细胞器标记和定位方法具有重要的科学意义和研究价值。

近两年来,南开大学刘育教授课题组系统地研究了大环主体诱导客体磷光增强效应,先后发表了多篇科研论文,例如“客随主变助窜越,避重就轻长发光”(Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 6028–6032;Chem. Sci. 2019, 10, 7773–7778),“协同策略两相宜”(Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 18748–18754),“水中磷光来成像”(Nat. Commun. 2020, 11, 4655),“分子折叠全窜越”(Adv. Mater. 2021, 33,2007476)等。因此,刘育教授课题组受邀撰写了题为“Supramolecular Purely Organic Room-Temperature Phosphorescence”的综述论文(Acc. Chem. Res. DOI: 10.1021/acs.accounts.1c00336)。这些都为超分子磷光在水相中的应用,尤其是在细胞成像方面的应用研究奠定了坚实的基础。

在前期工作基础上,该课题组巧妙地设计合成了一种能够通过光氧化驱动的超分子荧光磷光双向发光体系,成功地实现了活细胞中双细胞器的多色靶向成像。基于葫芦脲(甘脲和甲醛缩合的一类大环化合物)的分子识别和键合客体蒽的光氧化反应,他们发现通过葫芦[8]脲稳定的分子间电荷转移相互作用,大环化合物可以有效地诱导蒽基共轭溴苯基吡啶盐组装形成超分子聚合物,这导致了刚性和共轭程度的增加,从而可以显著提高红色荧光发射强度。与此不同的是,在光照条件下,蒽基被氧化成蒽醌,分子组装模式也由“头对尾”的超分子聚合物转化为“头对头”的三元包合物,而三元包合物能够在水溶液中发射出强烈的绿色磷光。

图1:组装体水溶液光谱表征结果。(a) 客体中加入葫芦[8]脲形成超分子聚合物的荧光光谱变化。(b) 超分子聚合物在紫外光照射下光致发光光谱变化。(c) 超分子聚合物在室温条件下613 nm处寿命。(d) 光照后形成的三元包合物在室温条件下529 nm处寿命。(e) 超分子聚合物随紫外光照射的CIE 1931色度图。(f) 超分子在持续紫外光光照下发光照片。

更加有趣的是,作者成功地将荧光到磷光发射的光物理性质转化应用于活细胞内不同细胞器的靶向成像。细胞染色实验结果表明,具有红色荧光发射能力的超分子聚合物能够很好地在细胞核内定位成像,而具有绿色磷光发射能力的超分子三元包合物能够选择性定位在溶酶体内。此外,通过细胞共孵育超分子聚合物和溶酶体成像剂后发现,在光照条件下超分子聚合物可以在细胞内重组为三元包合物,并伴随着细胞核中的红色荧光转化为溶酶体中的绿色磷光。

图2:超分子组装体的细胞染色实验结果。(a-d) 超分子聚合物、(e-h) 超分子三元复合物、(i-l) 两种组装体的细胞成像图。

最后,研究人员认为,该工作利用光氧化驱动策略首次实现了活细胞内不同细胞器的多色靶向成像,这为开发刺激响应材料和功能成像试剂提供了新思路。(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1021/jacs.1c06741