基于FRET二芳烯分子的合成及在生物成像中的应用研究

Diarylethenes have broad applications in photoelectric materials and medical imaging due to their superior optical switching property, thermal stability, and fatigue resistance. In order to further investigate perfluorinated diarylethenes as excellent optical switches, our research project will identify ideal perfluorinated diarylethenes, whose closed-ring isomer absorption is in infrared or near-infrared region, as parent molecules by structural variations and modifications. Fluorescent chromophores, whose emission range overlaps with absorption range of the closed-ring isomers of perfluorinated diarylethenes, will be linked to the parent molecules by chemical methods to construct fluorescence resonance energy transfer (FRET) F?rster pairs. Their photophysical and photochemical change behaviors upon UV radiation will be systemically investigated, and their applications in fluorescence bio-imaging will be explored. The new FRET pairs will improve light penetrating property of fluorescent probes in infrared or near infrared region. The changes of conformation, absorption, and fluorescence spectra of the FRET pairs before and after UV radiation, caused by the intramolecular resonance energy transfer, render the designed target molecules reversibility in modulation of fluorescent probes in cells. This strategy may effectively avoid in vivo auto-fluorescence interference, and has many potential applications in fluorescence bio-imaging. This work will expand the applications of diarylethenes and provide a new approach for study of multi-functional diarylethene materials.

二芳烯分子具有优异的光开关性能、热稳定性和耐疲劳性，在光电材料和生物医学成像领域具有广阔的应用前景。本课题利用全氟二芳烯优异的光开关性能，通过筛选闭环吸收波长在红外或近红外区域的二芳烯分子作为母体分子，并对其进行结构修饰，采用化学合成的方法在母体分子中引入与其闭环吸收波段范围相匹配的荧光发色团，进而构建荧光共振能量转移F?rster体，系统研究其在光辐射下的光物理和光化学变化行为，并将其作为荧光探针应用于生物荧光成像领域。利用目标分子在红外或近红外发光改善荧光探针的光穿透性；同时，利用其光辐射前后构型改变以及分子内能量共振转移导致的吸收光谱和荧光光谱显著变化的性能，将其作为荧光可逆探针，对染色的生物体荧光进行可逆调控，有效避免生物体内自发荧光的干扰，从而在荧光成像领域发挥重要的应用价值。本工作将拓展二芳烯研究的范围，为二芳烯材料的多功能化研究提供新的思路。

二芳烯化合物具有良好的热稳定性、显著的抗疲劳性和光灵敏性等特性，是最具潜力的光致变色材料之一。主要应用于分子开关、逻辑电路、光化学探针和传感器、细胞成像等众多领域，尤其在荧光探针和细胞成像领域最具应用前景，这种新的应用特性将进一步带动二芳烯的发展，对二芳烯的设计合成和应用研究带来全新的革命。目前，构建具有多功能的二芳烯荧光分子探针成为研究热点。本课题利用全氟二芳烯优异的光开关性能，通过筛选闭环吸收波长在红外或近红外区域的二芳烯分子作为母体分子，并对其进行结构修饰，采用化学合成的方法在母体分子中引入与其闭环吸收波段范围相匹配的荧光发色团，进而构建荧光共振能量转移Förster 体，系统研究其在光辐射下的光物理和光化学变化行为，并将其作为荧光探针应用于生物荧光成像领域。在项目实施过程中，选取多种具有优异光致变色特性的全氟二芳烯为母体分子，并有针对性地进行分子设计，通过多种化学合成方法链接上罗丹明B、8-羟基喹啉以及一些对特定离子或分子具有选择性和专一识别能力的长波长发射的荧光发色团，构建了多种具有光和离子/分子多重调控的二芳烯荧光探针，并初步应用于细胞荧光成像。在本项目的支持下共合成了40余种具有不同芳杂环体系的二芳烯荧光探针分子，系统的研究了其光化学性质，并筛选出性能优异的目标分子初步应用于细胞荧光成像领域，发表SCI论文38篇，EI论文4篇，国家发明专利授权2项。这些成果的取得，拓展了二芳烯研究的范围，为二芳烯材料的多功能化研究提供新的思路。