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近期，我?；瘜W(xué)與分子工程學(xué)院、教育部前沿科學(xué)中心郭志前教授和朱為宏教授課題組在近紅外熒光染料構(gòu)建生物分子檢測平臺的研究中取得了重要進(jìn)展，相關(guān)階段性研究成果分別發(fā)表于《自然-通訊》與《德國應(yīng)用化學(xué)》。

近紅外熒光染料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景，特別是隨著熒光成像技術(shù)的快速發(fā)展，利用熒光探針對生物分子定量檢測已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)和焦點(diǎn)?；跓晒鈭F(tuán)共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）構(gòu)建比率型探針提高檢測精準(zhǔn)度是通常采用的策略，但在動(dòng)態(tài)細(xì)胞環(huán)境中不同熒光團(tuán)的光漂白速率差異和濃差擴(kuò)散效應(yīng)難以避免。迄今為止，在高度異質(zhì)和動(dòng)態(tài)的生物活體環(huán)境中，如何消除熒光探針信號易受到目標(biāo)分子和其他因素（如探針濃度、激發(fā)光功率和細(xì)胞環(huán)境）的影響，精準(zhǔn)獲取生物分子的定量信息一直面臨著重大挑戰(zhàn)。

該課題組創(chuàng)新構(gòu)建了發(fā)光性能可調(diào)控的分子砌塊，突破傳統(tǒng)光化學(xué)中僅能最低激發(fā)態(tài)分子發(fā)光的卡莎規(guī)則，建立了一種具有雙發(fā)射的高性能染料普適性設(shè)計(jì)策略，即巧妙地設(shè)計(jì)了發(fā)光性能可調(diào)控的染料分子砌塊IFC (Integrated Fluorescein with Chromene) ，基于螺環(huán)開關(guān)的特異性響應(yīng)實(shí)現(xiàn)卡莎/反卡莎性能調(diào)控，即來自激發(fā)態(tài)S₂的反卡莎熒光信號可通過螺內(nèi)酯開關(guān)進(jìn)行調(diào)節(jié)，而來自激發(fā)態(tài)S₁的卡莎近紅外熒光信號則保持不變。進(jìn)一步，以分子工程化思想，發(fā)展設(shè)計(jì)了多個(gè)內(nèi)標(biāo)比率型的近紅外雙發(fā)射高性能染料，實(shí)現(xiàn)了對細(xì)胞、生物活體中多個(gè)活性物種的精準(zhǔn)、定量檢測。這種基于可激活反卡莎熒光機(jī)制的全新設(shè)計(jì)策略拓展了生物體內(nèi)比率型定量檢測平臺，為基礎(chǔ)生命科學(xué)和臨床研究提供了強(qiáng)有力工具。這種基于IFC分子砌塊的設(shè)計(jì)策略，在發(fā)光機(jī)制上為發(fā)展具有雙發(fā)射的高性能染料分子設(shè)計(jì)提供了具有普適性的策略指導(dǎo)，應(yīng)用性能顯著提升，相關(guān)的研究成果以“De novo strategy with engineering anti-Kasha/Kasha fluorophores enables reliable ratiometric quantification of biomolecules”為題發(fā)表在《自然-通訊》相《Nature Communications》上(Nat. Commun.2020, 11, 793; https://www.nature.com/articles/s41467-020-14615-3)。

高性能近紅外染料已經(jīng)被廣泛用于生物傳感、醫(yī)學(xué)成像、非線性光學(xué)和太陽能電池等諸多新型領(lǐng)域。該課題組一直致力于突破染料革新應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)，開展高性能、高附加值的熒光染料創(chuàng)制和應(yīng)用基礎(chǔ)研究，已在發(fā)展高性能近紅外熒光染料方面取得階段性的成果。基于分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)源頭創(chuàng)新，構(gòu)建了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高穩(wěn)定性、長波長染料新母體―喹啉腈單元體系，有效提升量子效率等應(yīng)用性能，解決了染料波長拓展與效率提升難以兼顧的困境，顯著提升其應(yīng)用拓展性能。最近，課題組受邀在《德國應(yīng)用化學(xué)》上發(fā)表“High-Performance Quinoline-Malononitrile Core as Diversity-Orientated AIEgens”的綜述，圍繞課題組所發(fā)展的喹啉腈染料新母體，系統(tǒng)介紹了其聚集發(fā)光響應(yīng)機(jī)制、波長和形貌調(diào)控、納米化宏量制備以及在生物成像方面構(gòu)建可激活型熒光探針等，Angew. Chem. Int. Ed.2020, DOI: 10.1002/anie.201913249; https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201913249.

上述研究工作主要由博士生石麗敏、博士后燕宸旭在郭志前教授和朱為宏教授的指導(dǎo)下完成，并得到了田禾院士的悉心指導(dǎo)，部分工作的理論計(jì)算與瞬態(tài)光譜研究得到了新加坡科技設(shè)計(jì)大學(xué)劉曉剛教授和上海科技大學(xué)劉偉民教授的支持與幫助。該研究成果得到了材料生物學(xué)與動(dòng)態(tài)化學(xué)教育部前沿科學(xué)中心、國家自然科學(xué)基金基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目和重點(diǎn)項(xiàng)目、上海市重大專項(xiàng)、以及“111”引智計(jì)劃等項(xiàng)目資金的支持。

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1. Nat. Commun.2020, 11, 793; https://www.nature.com/articles/s41467-020-14615-3

2. Angew. Chem. Int. Ed.2020, DOI: 10.1002/anie.201913249; https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201913249.