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大連理工大學精細化工國家重點實驗室肖義教授課題組與合作者新加坡科技設計大學的劉曉剛教授課題組發(fā)展出顯著提高染料發(fā)光效率的新策略。此新策略為未來超分辨成像領域開發(fā)更多性能優(yōu)異的熒光染料提供了很好的指導。相關研究成果發(fā)表在J. Am. Chem. Soc.,2019,141, 14491上。

對于現(xiàn)代生命科學，熒光顯微鏡是不可替代的強大工具。但由于光學衍射的限制，常規(guī)熒光顯微鏡的極限分辨率通常為200-300nm，以至于無法分辨更為微小的結構信息，這成為當前生物科學尖端研究和精準醫(yī)學診斷的技術瓶頸。為了突破衍射極限，實現(xiàn)納米級甚至分子級別的成像分辨率，近年來國際上興起了超分辨成像技術，并成為了一個焦點領域，2014諾貝爾化學獎授予了此領域的三位開拓者。利用這種前沿技術，科學家們有望在分子水平上對活體細胞進行研究，如觀察活細胞內生物大分子與細胞器微小結構以及細胞功能如何在分子水平表達和編碼。而這些觀察和研究又將全方位提升人們對于生命過程的認識和理解，極大促進新藥開發(fā)、疾病早期診斷等等。

超分辨成像的效果非常依賴于熒光染料的性能，其要求染料具有極高的發(fā)光亮度和穩(wěn)定性，這是由于超分辨熒光成像，相比于傳統(tǒng)光學成像，是建立在更大規(guī)模的光子統(tǒng)計數(shù)據(jù)的基礎上。目前適用于超分辨的熒光染料依然非常的稀少，因此人們迫切希望能提出普適性的策略，理性地設計出更多的超分辨熒光染料。

圖1季銨化--顯著提升羅丹明染料亮度的新策略

如圖1所示，利用季銨基團吸電子效應，抑制染料在激發(fā)態(tài)形成扭曲電荷轉移過程，降低分子扭曲導致的能量損耗，從而增強熒光發(fā)射。實驗表明，季銨化染料（以羅丹明類為例）確實具有更高的單分子亮度及更多的總收集光子數(shù)，非常適合單分子定位超分辨成像。研究者應用季銨化羅丹明標記的抗體進行了微管超分辨成像(圖1右)。

此外，為了在活細胞水平上驗證季銨化染料的成像優(yōu)勢，進一步開發(fā)了兩種針對亞細胞器標記的探針，即細胞膜探針(Mem-R)和溶酶體探針(Lyso-R)。二者均在活細胞靶標位置展現(xiàn)出閃爍的單分子信號特征。基于這些閃爍的單分子信號，成功地對活細胞的細胞膜和溶酶體進行了定位型超分辨成像（圖2）。

最后，為了更進一步地說明季銨化策略的普適性，團隊還將其拓展運用到幾種其它類型的染料上，實驗數(shù)據(jù)顯示染料的發(fā)光亮度在原有基礎上顯著提高。

圖2季銨化哌嗪羅丹明探針用于細胞膜和溶酶體的定位型超分辨成像

相關研究成果發(fā)表在J. Am. Chem. Soc.,2019,141, 14491上，大連理工大學博士研究生葉智偉，大連理工大學精細化工國家重點實驗室工程師楊薇，新加坡科技設計大學王超博士和大連理工大學博士研究生鄭瑩為文章的共同第一作者。該工作得到了國家自然科學基金和大連理工大學的大力支持。

大連理工大學精細化工國家重點實驗室肖義教授課題組一直致力于通過分子設計提升熒光染料的超分辨成像能力。將羅丹明染料衍生具有DNA雙鏈大分子靶向功能的Hoechst標記基團，成功完成了對活細胞的細胞核DNA的定位型超分辨成像(Chem. Commun.,2018,54, 2842)。近期，課題組還發(fā)展了一種將羧基引入羅丹明螺環(huán)結構的分子設計策略，提升了羅丹明螺內酰亞胺染料的亮態(tài)壽命，并成功實現(xiàn)了對線粒體、細胞核組蛋白以及微管結構的光激活超分辨成像(J. Am. Chem. Soc.,2019,141, 6527)。