港中深唐本忠院士/南开朱春雷研究员JACS：新型有机荧光纳米温度计用于非侵入式温度传感

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温度是最基本和最重要的生理参数之一，其动态变化与生命体的各种生理活动和病理状态息息相关，如基因表达、细胞分裂、炎症反应等。因此，在亚细胞水平上实现温度的高灵敏和高准确检测，对于理解和揭示各种生命过程具有十分重要的意义。在各类温度传感系统中，有机荧光纳米温度因其较好的生物相容性而得到了广泛发展，但仍存在不足。例如，有机荧光团自身无法在特定温度范围内提供显著的信号变化，且在连续光照下容易发生光漂白；此外，某些荧光信号（如强度和光谱带宽）较易受到其所处微环境的干扰。为了放大有机荧光团的信号响应，研究者们发展了基于热响应聚合物的纳米温度传感体系。该体系利用聚合物相转变过程中亲/疏水性的变化，改变有机荧光团局部微环境，从而提高检测的灵敏度。然而，聚合物组成通常具有异质性，导致其表现出较宽的相转变温度以及较慢的相转变过程，极大地限制了温度传感的灵敏度和响应性。此外，大多数有机荧光纳米温度计仅依赖于单个荧光参数进行温度传感，无法同时结合多种荧光参数进行交叉验证。因此，仍需开发一类新型的有机荧光纳米温度使其同时具有较高的灵敏度和准确性以及较快的响应性。

图1. TICT@AIE分子的光物理性质（来源J. Am. Chem. Soc.）

近日，南开大学朱春雷研究员团队与香港中文大学（深圳）唐本忠院士合作，设计制备了一类基于聚集诱导发光（AIE）分子和天然来源相转变材料（PCM）的有机荧光纳米温度计，探究了其在非侵入式温度传感中的应用。首先，该团队设计合成了一个具有AIE和扭曲分子内电荷转移（TICT）性质的有机荧光团（以TICT@AIE指代），该分子可对分子的聚集态及其所处微环境的极性进行灵敏响应，其在不同极性溶剂中的最大发射波长移动高达160 nm（图1）。具有TICT性质的分子其发射波长通常会随着外界环境极性的增加而发生红移，同时伴随着荧光强度的显著下降。然而，AIE特性的存在极大地弥补了由于TICT效应而引起的荧光强度降低，使得总体信号输出仍维持在较高水平（图2A）。

图2. 温度传感机制示意图（来源J. Am. Chem. Soc.）

为了尽可能地放大有机荧光团的信号响应，需要寻找一类相转变迅速且生物相容性较好的热响应材料，天然来源饱和脂肪酸在这一方面具有极大潜力。该团队将TICT@AIE分子与天然来源饱和脂肪酸进行物理掺杂，阐明了温度传感机制（图2B-C和图3）。在固态PCM中，由于饱和脂肪酸的高结晶性，迫使TICT@AIE分子倾向于发生自身聚集，其自身偶极矩产生的极性微环境使得TICT@AIE分子发射光谱红移以及荧光寿命变长。当温度高于饱和脂肪酸的熔点时，TICT@AIE分子溶解在液态PCM中；此时，饱和脂肪酸长烷基链所营造的疏水微环境迫使TICT@AIE分子采取一种扭曲程度较低的构象，这一过程伴随着发射光谱蓝移、荧光强度增加以及荧光寿命变短。

图3. TICT@AIE掺杂的天然来源饱和脂肪酸在不同温度下的荧光性质变化（来源J. Am. Chem. Soc.）

饱和脂肪酸具有较高的结晶性，难以在不改变其本征物理特性的情况下将其转变为稳定的纳米粒子。基于前期研究基础（CCS Chem.2021, 3, 531），该团队采用纳米沉淀与表面聚合相结合的方法实现了掺杂有TICT@AIE分子的饱和脂肪酸的纳米化转变（图4）。该方法仅在纳米颗粒表面形成一层亲水的聚合物网络外壳，维持纳米颗粒的胶体稳定性；此外，形成的聚合物网络还防止TICT@AIE分子的荧光性质受外界环境（如pH、离子强度等）的干扰。制备得到的两性离子型荧光纳米温度计（以Poly-TICT@AIE为指代）在生理温度范围内对温度变化呈现出灵敏、可逆、可靠以及多参数响应，以光谱位置、荧光强度和荧光寿命为检测参数，测得的最大相对热灵敏度分别为2.15% °C^-1、17.06% °C^-1 和 17.72% °C^-1，显著高于大多数荧光纳米温度计（分别为<0.5% °C^-1、<5% °C^-1和<5% °C^-1）。

图4. Poly-TICT@AIE的制备与表征（来源J. Am. Chem. Soc.）

基于上述三个互补的荧光参数，该团队利用Poly-TICT@AIE成功实现了耐甲氧西林金黄色葡萄球菌生物被膜的多模态温度传感（图5和图6）。此外，为了进一步表明该体系的应用潜力，该团队通过在表面聚合过程中引入阳离子单体的方法，成功制备了阳离子型荧光纳米温度计，以促进细胞对纳米颗粒的有效摄取。该研究中使用的饱和脂肪酸为月桂酸与硬脂酸的低共熔物，其熔点约为39 °C，因而制备得到的荧光纳米温度计在生理温度范围内呈现出较高的灵敏度，这为在亚细胞水平上研究生物体系的热行为提供了新工具。

图5. 基于荧光强度和光谱位置的温度传感（来源J. Am. Chem. Soc.）

图6. 基于荧光寿命的温度传感（来源J. Am. Chem. Soc.）

这一成果近期以“A Sensitive and Reliable Organic Fluorescent Nanothermometer for Noninvasive Temperature Sensing”为题发表在《Journal of the American Chemical Society》上。文章的第一作者为南开大学博士研究生薛珂，通讯作者为南开大学朱春雷研究员和香港中文大学（深圳）唐本忠院士。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c04597

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