基于金属增强效应的高性能双光子荧光纳米探针的构建及其生物成像应用研究

Recently, two-photon(TP) fluorescence imaging has become one of the most promising tools in the field of bio-sensing due to its intrinsic advantages of near-infrared excitation, deeper penetration depth and weaker photo damage. However, it is still challenging to achieve high sensitivity, high biocompatibility and excellent membrane permeability, especially for high-selectivity in vivo detection of small biomoleculars and metal ions. In this project, we attempt to synthesize the Ag@SiO2 nanoparticles which take advantage of the unique properties of silver nanoparticles (e.g. high biocompatible, strong ability to penetrate the membrane, excellent metal fluorescence enhancement) by optimizing the size of the silver nanoparticles and the distance between nanoparticles and the fluorescent probes to solve the mentioned problems. Specifically, we use Ag@SiO2 nanoparticles linked with TP fluorescent probes via click chemistry reaction to improve the probe loading capability. Based on rationale design of small organic molecular probes, the project intends to develop a series of small organic molecules-Ag@SiO2 nanoprobes for the detection of disease-related biomolecules and metal ions to overcome the bottleneck of TP fluorescent probes. Furthermore, the TP fluorescent nanoprobes will be applied for the imaging study of small biomolecules and metal ions in cells and tissues in order to obtain their fluorescence imaging distribution information in vivo, which would be beneficial for the research of the disease early diagnosis and pathogenesis.

双光子荧光成像技术由于其近红外激发、生物样品穿透深度大、光损伤小等显著优点而成为近年来生物传感领域的一大前沿课题，构建灵敏度高、生物相容性好、膜穿透性强的双光子荧光探针是该领域的瓶颈及热点。针对该瓶颈，本项目拟将银纳米颗粒的生物相容性好、膜穿透能力强的优点与其优良的金属增强荧光性质相结合，通过对银纳米颗粒的尺寸、纳米颗粒与染料之间的距离等进行优化，发展具有最佳荧光增强性能的Ag@SiO2纳米颗粒，并将其与双光子有机小分子荧光探针通过点击化学反应进行连接以提高负载率；通过对有机小分子探针进行优化设计，发展系列基于有机小分子-Ag@SiO2纳米颗粒的灵敏度高、生物相容性好、膜穿透能力强的双光子荧光纳米探针用于疾病相关生物小分子及金属离子的检测；进一步将探针结合双光子荧光成像技术用于细胞或组织内的生物小分子或金属离子的成像研究，获得其在生物体内的分布信息，以期用于疾病的早期诊断及发病机制研究。

基于荧光探针的荧光成像技术大多是通过单光子激发实现的，不可避免地会出现光漂白效应、细胞或组织自身荧光干扰以及组织穿透深度浅等问题，而双光子荧光成像技术由于其近红外激发、生物样品穿透深度大、光损伤小等显著优点而成为近年来生物传感领域的一大前沿课题，构建灵敏度高、生物相容性好、膜穿透性强的双光子荧光探针是该领域的瓶颈及热点。因此，本研究工作开发了一些生物相容性好、膜穿透能力强的双光子荧光纳米探针用于疾病相关生物小分子及金属离子的检测，进一步将探针结合双光子荧光成像技术用于细胞或组织内的生物小分子或金属离子的成像研究，为解决疾病诊断、药物检测等相关重要问题提供了理论基础和技术支持。（1）基于双光子成像技术的优势以及二氧化锰纳米片层结构对GSH特异性的识别能力，构建了一种荧光增强型的纳米探针用于细胞和组织中GSH的检测。二氧化锰纳米片的高荧光猝灭效率使得该传感系统具有较高的灵敏度。并且由于GSH可以特异性的将MnO2还原成Mn2+，故该传感体系具有较好的选择性。该纳米探针具有优良的生物相容性，被成功应用于监测活细胞和组织内谷胱甘肽含量的变化，证实了它在生物样品中的实际应用价值。（2）基于2，4-二硝基苯磺酸酯基团可以通过PET过程淬灭荧光基团的荧光信号，而谷胱甘肽在谷胱甘肽S-转移酶催化下与2，4-二硝基苯磺酸酯基团反应，释放出荧光基团，引起荧光信号增强。本研究合成的探针对谷胱甘肽S-转移酶的灵敏度高，选择性好，本研究也将探针应用于药物诱导的肝损伤组织样本中谷胱甘肽S-转移酶活性的检测，并取得了比较满意的效果。