哈工大陈冠英教授《ACS Nano》：一类新型染料-蛋白复合物纳米光学探针

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经典有机染料分子由于具有低毒性和体内快速清除等特点，在细胞和动物体成像等领域得到广泛的应用，但却受限于光稳定性差、水溶性低、和荧光量子效率低等缺点。本文通过去铁蛋白和一系列染料分子（包括聚集诱导发光（AIE）染料和常规聚集淬灭（ACQ）染料）的自组装过程，制备了一类新型染料-蛋白复合物纳米光学探针（apo-dye-NPs，尺寸 ~ 12nm）。相比于染料分子单体，新型纳米光学探针发光亮度得到了最高达~2800倍的提升。纳米光学探针的外表面是内源性的铁蛋白外壳，具有丰富的羧基和氨基等官能团可供后续修饰，同时发光范围涵盖了可见和近红外光区（370-1300 nm），极大拓展其生物成像应用范围。
本文从与去铁蛋白组装后染料的量子产率提升（5~45倍）为出发点，通过理论计算和实验研究分别揭示了聚集诱导发光染料和常规聚集淬灭染料量子产率提升的机理。研究发现聚集诱导发光染料（以TPFE-Rho为例）与蛋白作用的主要作用力为疏水作用和空间几何互补，极大地限制了分子内旋转，减小了能量的非辐射耗散，提升量子产率。而常规聚集淬灭染料（以IR820为例）与蛋白作用的主要作用力为疏水作用、空间几何互补和氢键，一方面抑制了IR820分子间的π−π堆积，另一方面也限制了分子内旋转引起的非辐射耗散，从而提升了量子产率。
制备的纳米光学探针在存储过程中具有很好的化学和光学稳定性，同时在生物应用过程中具有良好的抗光漂白能力、细胞和动物体安全性。研究证实纳米光学探针适用于超分辨细胞成像（空间分辨率117 nm）和近红外小鼠血管造影成像（空间分辨率380 mm）等。尤其是，纳米探针的强抗光漂白性能使其在超分辨细胞成像中表现出色，并与DAPI等探针联合染色，展示探针进入细胞核的整个过程。更进一步，去铁蛋白与非发光染料（IR1061）的结合，可以制备具有光声性能的纳米探针，用于小鼠活体肝脏冠状面成像。这类新型纳米光学探针有望在术中荧光导航、重大疾病诊断、超分辨成像、多模态成像领域得到广泛的应用。 
图1. 新型染料-蛋白复合物纳米光学探针制备过程和光学刻画；a. 新型染料-蛋白复合物纳米光学探针的组装过程；b. 本文纳米探针镶嵌的5种染料分子结构；c. TEM和水相样品照片；d. 纳米探针的光谱；e. 量子产率和发光亮度对比图 
图2. 新型染料-蛋白复合物纳米光学探针中染料和蛋白相互作用的理论计算结果 
图3. 新型染料-蛋白复合物纳米光学探针性能刻画；a. 纳米探针的外表面电势分布； b.化学稳定性； c.光学稳定性； d. 细胞兼容性； e,f. 抗光漂白性能 
图四. 新型染料-蛋白复合物纳米光学探针细胞成像；a. 单粒子成像；b. 超分辨细胞成像和普通荧光显微镜成像对比；c. 随时间变化的超分辨细胞成像；d. 与DAPI联用能力 
图五. 新型染料-蛋白复合物纳米光学探针的荧光和光声成像；a. 时间依赖的全身活体成像；b. 高分辨血管成像 （分辨率380 µm）；c. 染料-蛋白复合物纳米光声成像探针分散到水溶液中照片（左）和吸收光谱（右）；d.肝脏冠状面成像信号强度与时间变化的关系；e. 时间依赖的肝脏冠状面成像

作者简介

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团队带头人陈冠英教授，现任哈尔滨工业大学化工与化学学院教授/博士生导师、新能源材料与器件系系主任、黑龙江省青年科技协会副会长、中国青年科技协会理事，获批成立哈尔滨工业大学“青年科学家”工作室。曾获教育部青年长江学者（2018年度）、国家万人计划“青年拔尖人才”（2014年度）、英国皇家化学学会“Top 1%高被引中国作者”（2019年度）等荣誉称号。担任Scientific Reports、Nanomaterials、《稀土学报》(中英文版)、《发光学报》等6个SCI/EI学术期刊的编委。

陈冠英老师个人主页：http://homepage.hit.edu.cn/guanyingchen

目前课题组主要涵盖以下几个研究方向：（1）无机稀土纳米荧光探针及其生物医学应用（2）钙钛矿量子点人工调控及其光子学应用；（3）单颗粒稀土光物理和生物传感研究。 

原文链接
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.1c06536

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