光激活定位超分辨荧光成像的罗丹明分子设计

光激活定位显微技术(PALM)等超分辨成像技术的发展为高水平生命科学研究提供了突破光学衍射极限的研究工具.实现超分辨荧光成像的核心要素之一是高性能荧光染料,而罗丹明染料由于其优良的光学性质已成为设计PALM染料的热门选择.本文通过对PALM超分辨成像特点分析,给出PALM罗丹明染料的设计要求,并对已报道的PALM超分辨罗丹明染料的设计策略及其优缺点进行比较分析,希望通过对分子设计策略的综述,为研究者设计PALM超分辨罗丹明染料提供了一些帮助.     

单分子定位超分辨显微成像有机荧光探针的研究进展

在生物医学领域,对纳米尺寸级别的微小生物目标进行精确定位研究具有非常重要的意义,而光学显微成像技术为此提供了强有力的工具。 光学显微成像技术受到光学衍射极限的限制,难以分辨尺寸在衍射极限(<200 nm)以下的生物结构,无法直接获取微小生物结构信息,阻碍了生物医学的进一步发展。 近年来,随着纳米分辨显微成像技术的出现,新型荧光探针的开发、成像系统与设备的不断发展及成像算法不断完善地深入结合,促进了光学衍射极限以下尺寸微观目标的研究。 基于单分子定位的超分辨荧光显微成像(SMLM)包括光激活定位成像(PALM)与随机光学重构超分辨成像(STORM),将有机荧光探针与超分辨光学显微成像技术紧密结合在一起,荧光探针的光物理性质直接决定着超分辨成像结果的好坏。 因此,设计不同性能的荧光探针可以实现超精细结构的不同超分辨成像,为研究其生物学功能提供了有力的工具。 本文着重围绕基于SMLM的原理、有机荧光探针的设计要求、用于SMLM的荧光探针种类及其生物应用等方面进行总结综述,指出了单分子定位成像上存在的不足,并对其发展方向进行了展望,希望为对超分辨成像研究感兴趣或初涉该领域的研究者提供成像理论与探针设计方面的帮助。     

近红外荧光染料的结构、性质及生物荧光成像应用

近红外荧光生物成像技术由于具有深的组织穿透性、低背景荧光干扰、最小生物样本光损伤等特点引起人们越来越多的关注。开发高荧光效率、低毒性的近红外荧光染料是近红外荧光成像技术发展的关键所在。本文综述了五类主要的有机近红外荧光染料(菁类、BODIPY类、罗丹明类、方酸类、卟啉类)的研究进展,重点分析其结构与光学性质等构效关系,为近红外荧光染料的设计和制备提供指导。另外,总结了有机近红外荧光材料功能化修饰的主要方法以改善生物相容性、靶向性能等,最后对近红外荧光染料存在的主要问题以及未来的热点方向进行了分析和展望。     

甲川链修饰菁染料的合成研究进展

在小分子荧光探针中,菁染料由于其良好的光学特性,在成像及生物传感等领域具有广泛应用.甲川链的功能化可以显著提高染料的稳定性并改变其光物理性能和生物选择性,已成为近年来菁染料结构修饰的热点.总结了甲川链修饰菁染料的合成方法,根据甲川链取代基的不同来源,按照甲川链不同长度对甲川链修饰菁染料的研究进展分别进行综述.     

基于散射信号的超分辨光学相减显微镜

现有的光学超分辨显微成像技术主要依赖于特殊的荧光标记物,其对于大多数非荧光样品的超分辨成像就变得无能为力。因此我们提出将光学相减显微技术应用到非荧光样品的成像当中,利用普通共聚焦光斑和面包圈型光斑分别激发样品的散射光成像,从而得到样品同一区域的两幅图像,再通过图像相减的方法提高了图像空间分辨率。不同于一般的超分辨成像方法,这种光学相减显微镜不需要特殊的样品预处理过程,同时两次成像的激发光强度可以保持在一个较低水平,避免了样品损伤的影响。随后金纳米小球和有机聚合物微丝的散射成像实验证明了光学相减显微镜可以将空间分辨率提高到215 nm (0.33λ, 1λ = 650 nm),并且通过探测散射信号得到更多的样品细节信息。     

有机小分子荧光探针对甲醛的识别及其应用

甲醛不仅用作工业化学品,也是调节人体生理活动的必要代谢产物。但是,人体从外环境过量的摄入甲醛或者内环境甲醛代谢的不平衡,会造成器官癌变和老年痴呆等重大疾病。有机小分子荧光探针以其高灵敏度、高选择性、可视化和原位检测等特点,使其在生物体内外甲醛检测和生物成像领域具有应用优势,同时也为实际产品中甲醛的痕量检测提供一种新方法。近五年来,甲醛荧光探针得到了快速的发展。本文主要从甲醛荧光探针的反应类型、生物体中甲醛的荧光成像以及在实际样品(商品)检测应用三个方面,介绍有机小分子荧光探针对甲醛的识别和应用。最后总结指出,不同类型的有机小分子荧光探针在不断开发、结构优化和光学性能提升及满足辅助生物医学方向长期性研究的同时,也能拓展应用范围,达到短期内对实际产品中甲醛快速(原位)检测的目的。     

近红外二区有机小分子荧光探针

荧光成像凭借灵敏度高、特异性强等诸多优势在重大疾病的诊疗领域发挥着重要作用.然而传统的近红外一区（NIR-I,700~900 nm）荧光成像存在组织穿透性差等问题,限制了其临床应用.近红外二区（NIR-II,1000~1700 nm）荧光成像可以极大地减弱生物组织对光的吸收、散射和自发荧光,从而显著提升成像深度及成像效果.在众多NIR-II荧光探针中,有机小分子由于具有毒性低、代谢快等优点正成为该领域的研究热点.作者以近年来NIR-II有机小分子荧光探针的发展为主体,概括了提升探针荧光量子产率的策略,分别就可激活型、多模态成像型和诊疗一体化型NIR-II荧光探针进行分类讨论,系统介绍了近年来该领域内的研究成果,并针对NIR-II荧光探针未来的发展进行了展望.     

聚集诱导发光有机小分子无机纳米复合材料的研究进展

有机-无机复合荧光纳米材料制备简便,生物相容性好,成像性能优异,在化学和生物传感、生物成像、催化及能源材料等领域受到很多关注.传统的荧光有机小分子与无机材料复合时,常发生荧光猝灭,而聚集诱导发光(Aggregation-InducedEmission,AIE)有机小分子在聚集态具有高发光量子产率,为有机-无机复合荧光纳米材料的研究提供了机遇.由于AIE有机小分子功能化的无机纳米材料独特的优点,人们对其设计、合成及应用进行了较多研究.综述了AIE有机小分子和多种类型的无机纳米结构(金属纳米颗粒、钙钛矿材料、层状材料、氧化物、硫化物等)复合材料的制备和应用的新进展,特别是在化学和生物传感、生物成像、药物输运、光热治疗、催化以及能源等领域的应用,并对其发展前景进行了展望.     

一种新型二氰基乙烯修饰的二呋喃环戊烯光开关:荧光性质、传感性能和生物应用（英文）

近年来,借助于高度优化的小分子荧光染料,荧光蛋白和先进的标记技术,荧光标记技术得到了极大的发展.二芳基乙烯光开关荧光染料的研究,主要通过在二芳基乙烯中引入荧光核和对芳基的结构修饰.与噻吩相比,呋喃具有更好的刚性、溶解性和可生物降解能力以及更强的荧光.因此,二呋喃乙烯可以作为荧光标记技术的小分子荧光染料.设计并制备了一种基于二氰基乙烯的二呋喃乙烯新型荧光光开关.该化合物在溶液中呈现典型的可逆光致变色性能,且以其出色的选择性、灵敏度和高对比度来实现氰根离子的荧光检测.此外,通过核磁滴定实验,解释了其对氰根离子的响应机理.由于采用呋喃替换噻吩使得该化合物拥有更强的荧光,成功应用于生物体内的荧光染料和氰根离子探针.     

基于苯并[b]萘并[1,2-d]噻吩的可见光驱动光环化荧光turn-on型二芳基乙烯的合成与性能研究

可见光驱动光环化的荧光turn-on型二芳基乙烯分子开关是超分辨显微成像的理想材料, 但目前关于该类型分子的报道仍较少. 本工作合成了一种基于苯并[b]萘并[1,2-d]噻吩(BNTP)的405 nm可见光驱动光环化的荧光turn-on型二芳基乙烯分子BNTP-BTTO4, 同时系统研究了该分子的光物理性能与稳定性, 并借助密度泛函理论(DFT)计算厘清了分子实现可见光驱动光环化及荧光turn-on原因. 另外, 本研究发现BNTP引入后分子表现出比参比分子Ph-BTTO4更优异的抗疲劳性、热稳定性和光稳定性, 尤其是在历经200 min 405 nm可见光照射后, BNTP-BTTO4(c)吸收强度只下降4%, 光稳定性大幅提升. 本研究为设计开发性能优异的可见光驱动光环化的荧光turn-on型二芳基乙烯提供了新的思路.     

大型仪器科学管理(192~195)超分辨荧光共聚焦显微技术进展、自主创新研发和开放共享使用现状

简要梳理了超分辨荧光共聚焦显微成像技术的发展历史.在此基础上, 重点总结了中国自主创新高分辨荧光共聚焦显微成像技术取得的突破, 特别是2006年以来, 中国科学院和北京大学成功研发了几款较为成熟的超分辨荧光共聚焦显微系统, 有力地推动了中国自主创新仪器研制的进展.最后, 在大型仪器设备开放共享评价考核数据分析的基础上, 着重分析了高校和科研院所激光共聚焦显微镜的开放共享使用情况.     

分子内扭转电荷转移的胶束效应

研究了水溶液中对二甲氨基苯甲(DMABA)分子内扭转电荷转移(TICT)的胶束效应.胶束能促进DMABA的TICT过程,并导致DMABA的总荧光量子产率提高和TICT荧光峰的显著蓝移,DMABA的TICT荧光强度与正常荧光带的强度之比与DMABA的浓度之间有线性关系,胶束存在时该直线的斜率提高,认为DMABA的TICT激发态涉及两个DMABA分子,并且影响DMABA的TICT激发态相对布居的主要因素是其与相应的三重态和基态的能隙.讨论了DMABA的TICT激发态的可能结构及胶束效应的本质.     

新型有机荧光染料的设计、合成及在荧光成像中的应用

随着生命科学的发展,人们希望能够获得分子或离子生物学功能的直观信息,因此各种成像技术得以迅速发展.荧光成像以其非破坏性、灵敏度高、选择性好等优点,一直是人们关注的焦点.而荧光成像的发展受到荧光染料性质的制约,因此开发性能优异的荧光染料,特别是近红外荧光染料,是化学生物学一个重要的研究方向. 本论文以常用的荧光染料香豆素和罗丹明为基本单元,根据染料设计的基本原理,设计合成了几种新型的荧光染料,覆盖了从蓝绿到近红外的光谱范围,并将其成功应用于活细胞成像,这对生物学的研究有着重要的理论意义和实际应用价值.     

可用于活细胞线粒体随机光学重构超分辨成像的分子内可逆环化五甲川菁染料探针

基于单分子定位的随机光学重构超分辨成像作为一种先进的光学成像方法,可用于尺寸小于光学衍射极限的生物结构的超清晰成像,为在单分子层面研究疾病的发病机制及寻找精准的治疗策略提供有力研究工具,在生物医学领域有着广泛的应用前景.随机光学重构超分辨成像技术依赖于标记探针的光物理性质,探针需要在大量缓冲试剂及含巯基试剂存在下才能产生稳定光致闪烁进行超分辨成像,获得理想的超分辨成像结果,但是大量缓冲试剂与巯基试剂对活细胞伤害较大,使得其在活细胞的超分辨成像应用上存在困难,而限制了其在生物医学成像领域的进一步应用,因此,需要开发可用于活细胞的单分子定位超分辨成像的新型光学探针.本工作提出了一种新的可用于单分子定位超分辨成像的五甲川菁染料探针,不需要外加成像缓冲液及巯基试剂就可以产生光致闪烁变化.基于此,开发了一种分子内自发开、关环反应的新型五甲川菁染料探针,具有活细胞膜通透性.探针不需要使用缓冲液体系及对细胞有害的含巯基试剂,在低功率单束激光直接照射下产生光致闪烁,探针对活细胞没有产生明显毒性,适合活细胞的超分辨成像.进入活细胞后探针选择性定位于细胞线粒体上,在激光照射下产生光致闪烁,电子倍增电荷耦合器相机（EMCCD）在采样频率60 Hz下收集不同条件下的光致闪烁图像,设置不同参数进行结果分析,使用ImageJ进行图像预处理后再使用Falcon算法重构获得活细胞线粒体的超分辨成像图像,相比宽场成像,成像分辨率明显提高,为生物医学光学成像提供新的研究手段.     

基于硅杂蒽类染料的荧光探针及其应用

近年来,荧光成像技术为人们研究活体细胞及组织内的化学生物学过程提供了有效的研究工具,可以无损、实时、原位地以高时空分辨率实现对目标物进行生物荧光成像与分析。荧光成像技术在生物学、环境监测、临床诊断和药物发现等诸多研究领域发挥着越来越重要的作用。生物荧光成像技术的最新进展对发展新型小分子荧光染料及探针提出了更高的要求。激发和发射波长位于近红外光区（600~900 nm）的荧光染料及探针由于具有光毒性低、生物分子自发荧光干扰小、光散射低、组织穿透能力强等优点,非常适合用于生物荧光成像领域。通过将罗丹明分子中O桥原子用Si代替,得到了一类新型的探针分子--硅杂蒽类荧光探针。这类染料分子在保留了氧杂蒽荧光染料优越的光学性质的同时,光谱发生明显红移,满足了近红外荧光检测的要求,具有良好的生物相容性。本文综述了近年来基于硅杂蒽及其衍生物荧光探针的合成及在金属离子、pH值、小分子、生物酶等检测方面的研究进展,并且简要阐述了基于硅杂蒽类探针分子的识别检测机理以及其在生物成像等方面的应用。     

可视化分析方法在薄膜基材料荧光传感中的应用

随着光学成像技术的不断突破,荧光可视化已经从简单的肉眼观察逐步向宽场显微、共聚焦显微、超分辨成像等方向发展.然而,荧光可视化在薄膜基材料中的传感应用依然以肉眼观察以及少量的宽场显微为主要分析手段.同时,薄膜基材料结构和性质的可视化分析研究也滞后于荧光可视化技术的发展.基于此,结合本课题组近几年的研究成果,本文系统评述了荧光共聚焦显微技术在薄膜基材料体相分散状态和表面性质的可视化分析中的应用进展,并对当前薄膜基荧光传感材料面临的问题和可能的解决方案进行了简要探讨.     

叶酸受体介导的肿瘤靶向光学成像技术

叶酸受体(FR)在肿瘤细胞中都有过度表达,而在正常组织中保守表达,利用叶酸受体与叶酸及其类似物高亲合力结合的特性,将叶酸偶联荧光探针输送到肿瘤组织,从而实现肿瘤组织的特异性靶向光学成像。本文阐述了叶酸荧光探针的结构及其用于标记肿瘤细胞的作用机制,介绍了近十年来叶酸受体介导的肿瘤靶向光学成像技术,例如有机荧光染料,染料掺杂纳米颗粒,量子点,磁性纳米微粒以及多功能纳米粒子等在肿瘤靶向成像中的研究及应用进展,指出了当前研究中的主要发展方向和仍需解决的问题。     

平面波导型荧光免疫传感器的制备与应用

研究了一种基于全内反射荧光和免疫检测原理的传感器系统,它可用于检测水环境中的有机污染物,如2,4-D、藻毒素等.本系统采用长波长的荧光染料Cy 5.5,以氦氖激光器作为激发光源,结合流动注射分析系统,能够快速方便地对传感基片上发生的免疫反应进行测定.本研究介绍了平面波导型荧光免疫传感器的检测原理、系统结构设计、传感基片的修饰、小分子配基的固定和系统测试结果.实验结果表明,系统具有很高的稳定性,对荧光染料的响应灵敏度可达1nmol/L;修饰后的传感基片基本不对蛋白产生非特异性吸附,而对不同浓度小分子配基抗体的响应符合Logistic方程;传感基片重复使用20个周期后,性能没有明显的下降.     

荧光碳点在分析传感中的应用进展

荧光碳点（CDs）是2004年发现的一种新型碳基纳米材料,呈球形、粒径在2～10 nm左右,具有优异的荧光性能、易于功能化修饰、抗光漂白性强、环境危害低、生物相容性好以及合成原料来源丰富等特点,被认为是有机荧光染料和半导体量子点的最佳替代品,在光电学、光催化、化学传感和生物成像等领域有着广阔的应用前景。本文主要介绍了CDs作为化学传感器的荧光检测机制,重点总结了近年来CDs在离子、有机小分子以及生物大分子检测等方面的应用,以期为荧光纳米探针的设计与应用提供理论和研究依据。     

吲哚七甲川类荧光探针在生物体应用的研究现状

菁染料是一种商品化的近红外荧光染料, 其光谱范围位于近红外区域, 此光谱区域内生物基体光吸收或荧光强度较小, 因此利用菁染料对生物体进行成像, 可以降低背景干扰. 吲哚七甲川菁染料是一类具有代表性的菁染料, 其由吲哚杂环、七甲川链和N-取代基侧链组成, 由于具有溶解性好, 最大吸收波长可调, 摩尔消光系数大等优良的光学性质, 被广泛用于肿瘤靶向治疗、蛋白标记、痕量金属离子检测等生物方面. 以吲哚七甲川为母体, 通过向母体中引入活性基团或改变它们的结构, 使探针具有不同的功能, 这已成为生物领域荧光成像的研究热点. 分别从检测金属阳离子、pH变化、小分子和靶向标记肿瘤细胞、蛋白质等方面综述了近年来用于生物体荧光成像的吲哚七甲川类荧光探针的研究进展, 其中也对荧光探针在生物体内(模型)分布、光学成像及代谢方面进行了介绍, 最后讨论了这类荧光探针存在的问题及发展趋势.