科研速递 | 理工学院唐本忠院士和赵征教授在ACS Materials Letters上发表文章
近日，香港中文大学（深圳）理工学院唐本忠院士团队赵征教授在《ACS Materials Letters》发表题为“Deep-Red Aggregation-Induced Emission Luminogen Based on Dithiofuvalene-Fused Benzothiadiazole for Lipid Droplet-Specific Imaging”的文章。
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《ACS Materials Letters》介绍
美国化学会出版部（American Chemistry Society）2019年推出期刊ACS Materials Letters，这份新的通讯期刊作为前沿性基础和应用研究的沟通平台，为材料学与其他学科（包括化学、生物学和工程）交叉领域内高质并迫切的通讯提供便利，致力于以快速发布具变革性的材料学研究。收稿范围包括最前沿和新兴材料的设计、合成、表征和评价，材料结构、性质和性能关系及深层机制的理解，能源、环境、生物医药、电子和催化材料的开发。发文类型主要有Letters、Reviews、Perspectives、Viewpoints、Previews和Materials Express。ACS Materials Letters 在2021年的影响因子为8.312，JCR分区Q1。
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研究背景
脂滴在许多生物过程中都扮演着不可或缺的角色，一旦脂滴出现功能异常将会导致众多的疾病。因此，研究脂滴的生物活性就显得至关重要。具有聚集诱导发光（AIE）性质的红光/近红外荧光材料由于具有非侵入性、较大的斯托克斯位移、低光损害性和优异的光稳定性等优点，非常适合用于脂滴的成像和追踪。与此同时，双光子成像由于具有更高的分辨率和更深的穿透深度逐渐被人们关注和使用。
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研究方法
文章中作者合成了一种新的受体基团BSM并将其用于制备一个新的深红光AIE分子TPABSM（图1）。该分子的发光波长涵盖了可见光和近红外一区的范围，并且展现出了很高的（13.0%）的固态荧光量子产率。该分子表现出优异的双光子成像性能，在不同的生物物质水平，包括细胞、组织和活斑马鱼胚胎，都表现出对脂滴的高度特异性，在生物医学研究中显示出对于脂滴成像和跟踪的巨大潜力。
作者首先研究了该分子的荧光性质。在溶液态下TPABSM展现出了明显的分子内扭曲电荷转移（TICT）的性质，其在四氢呋喃溶液中发光波长为672 nm但在甲苯溶液中的发光波长则蓝移至605 nm。固态下TPABSM呈现的是明亮的深红荧光，其发光波长波峰和荧光量子产率分别为670 nm和13.0%。通过分析TPABSM的晶体结构作者发现，虽然分子间并无很强的𝜋–𝜋堆积，但多重非共价键相互作用的存在使得分子的构型更加稳定，最终提高了固态的荧光量子产率。
TPABSM优异的深红发光促使作者进一步去探索了其在生物成像中的应用，并通过MTT实验证实了TPABSM具有优异的生物相容性。由于TPABSM是一个脂溶性荧光分子，并且分子中F原子的存在能够进一步提高脂溶性，因此作者重点探索了TPABSM在脂滴成像领域中的应用。在细胞尺度的染色实验表明，通过将 Hela 细胞与 TPABSM 和 BODIPY 493/503 一起进行共定位实验。TPABSM 的共定位系数高达 0.91，表明具有优异的脂滴成像特异性。与 BODIPY 相比，TPABSM 由于其 AIE 性质而表现出更好的光稳定性。
TPABSM优越的脂滴成像特异性引导作者进一步探索其在组织成像中的应用。通过比较正常和高脂肪喂养小鼠肝脏组织的图像，在高脂肪喂养小鼠肝脏组织中观察到明显的深红色发射。此外，BODIPY共染色实验显示出高共定位系数（0.97），表明高脂肪喂养小鼠肝组织的脂滴也可以被 TPABSM 以高分辨率有效染色。同时，在组织中对比了TPABSM的单双光子成像能力，双光子成像的对比度和分辨率更高，穿透深度达到 72 μm，约为单光子成像的 4 倍（图2）。这些优异的性能表明 TPABSM 具有用于特定组织或体内脂滴成像的潜力。
最后，作者进一步探索了TPABSM在体内原位成像的潜力。卵黄囊作为中性脂质和极性磷脂储存器官为斑马鱼的生长提供能量。在用 TPABSM 染色30分钟后观察到来自 3 天大斑马鱼胚胎卵黄囊的强烈红色荧光信号，表明 TPABSM 对脂滴具有高度特异性（图3）。该初步结果表明 TPABSM 可用于定位卵黄囊中的脂滴，这对于观察体内脂滴相关的生物过程至关重要。此外，由于斑马鱼的卵黄囊为斑马鱼的胚胎发生提供能量和结构脂质，因此有望通过 TPABSM 在体内追踪斑马鱼的脂质代谢和易位。
图1. 红光AIE分子TPABSM的化学结构、光谱信息和AIE特性
图2.TPABSM在组织中的双光子(A, B)和单光子(C, D)成像
图3. TPABSM在斑马鱼胚胎中荧光成像图
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研究结论
此工作中作者报导了一种新的深红色AIE分子TPABSM，将其应用于活细胞、组织和斑马鱼胚胎中的脂滴成像，表现出高度特异性和优异的成像效果。该荧光分子利用与缺电子的二硫富瓦烯部分融合的苯并噻二唑作为强受体 (BSM) 来构建 D-A 分子，以在 670 nm 处达到最大发射峰，固体量子产率为 13.0%。TPABSM 的活组织成像实验表现出优异的双光子成像性能，相比单光子成像，对比度和分辨率更高，穿透深度达到 72 μm，约为单光子成像的 4 倍。同时，TPABSM 可以作为各级生物层次优异的脂滴探针，具有出色的双光子成像性能，可以研究脂滴在细胞生理学中的复杂功能。
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作者简介
香港中文大学（深圳）唐本忠院士和赵征教授为本文通讯作者。
唐本忠，中国科学院院士、发展中国家科学院院士、亚太材料科学院院士、国际生物材料科学与工程学会联合会“生物材料科学与工程Fellow”、英国皇家化学会会士、国家自然科学基金基础科学中心项目负责人，曾任广东省引进创新科研团队带头人、973计划项目首席科学家、国家自然科学基金重大项目负责人。现任中国化学会常务理事、华南理工大学和德国威利出版社（Wiley）联合期刊Aggregate主编、《中国科学：化学》副主编、《化学进展》副主编、Adv. Polym. Sci. （Springer）编辑等。在国内外顶尖杂志上发表论文1600余篇，他引十一万余次，h指数为151。曾先后获得多项荣誉及奖励，如国家自然科学一等奖（2017），何梁何利科学与技术进步奖（2017）、第27届夸瑞兹密国际科学奖（2014）、美国化学会高分子学术报告奖（2012）、国家自然科学二等奖（2007）、裘槎高级研究成就奖（2007）、中国化学会高分子基础研究王葆仁奖（2007）和爱思唯尔出版社冯新德聚合物奖（2007）等。
赵征，香港中文大学（深圳）理工学院助理教授，博导，校长青年学者。赵征教授于中国科学院上海有机化学研究所取得博士学位，后赴香港科技大学化学系进行博士后研究，2021年加入香港中文大学（深圳）理工学院担任助理教授开展研究工作。近年来围绕激发态的分子运动调控，对 AIE 分子的发光机理、构-效关系以及功能性以及应用探索等进行了系统深入的研究，在提高 AIE 分子的电荷传输和发光效率、发展固态分子运动调控的策略、揭示激发态分子运动的本质等方面取得了一系列创新性的研究成果。已在Nat. Commun、Angew. Chem. Int. Ed.、Matter、ACS Nano.、Adv. Mater、Adv. Funct. Mater.、Nat. Sci. Rev、Mater. Today、Chem. Sci.等国际顶级期刊发表论文70余篇，论文总计被引用3800余次，H-index为37。目前兼任科学出版社聚集诱导发光系列丛书编委，National Science Review杂志编委，Aggregate杂志顾问编委，Chinese Chemical Letters青年编委，National Science Review杂志客座编辑，Biomaterials杂志客座编辑。
本文第一作者：余颖博士
余颖博士2021年博士毕业于香港科技大学理学院，2021年加入香港中文大学（深圳）理工学院分子聚集体科学团队进行博士后研究。余博士长期从事红色/近红外新型AIE小分子的开发和研究，并探索其在光电器件和生物成像等方面的应用，取得一系列的研究成果，已发表SCI论文三篇并参与撰写专著一章。
邢浩博士和Hojeong Park博士为共同一作。