用于生物检测与成像的AIE型红光纳米材料

Photo-stability is one of the crucial factors determining the application of organic fluorescent probes in bioimaging. In this project, we try to fabricate nanostructures based on aggregation-induced red/near infrared emission materials, explore the conditions for controlling the size, size-distribution, morphology, and surface properties. We will take the advantages of low excitation energy, low background fluorescence interference, high interpenetration ability of the red/near infrared fluorescence, particularly the high emission quantum efficiency in aggregated states of AIE molecules, to investigate the application of the obtained nanostructures in bioimaging, the in vitro fluorescent signaling, and the in vivo bioimaging of specific cells and tissues, then to develop novel and hightech materials for the studies of bioimaging and molecular imaging.

光稳定性的问题是有机/高分子荧光材料用于生物医学成像领域是需要解决的关键科学问题。本项目拟将发红光/近红外光的AIE分子制备成纳米粒子，探索粒径、分散度、形态和表面性能可控的纳米结构的制备方法和路线，利用红光/近红外光穿透力强、激发能量低、生物背景荧光干扰小、特别是AIE分子可以在聚集态下具有高效率发光的优势，对其在生物荧光成像方面的应用进行深入研究，并应用于细胞in vitro 荧光示踪成像，在此基础上最终实现in vivo 生物成像，为生物成像和分子影像提供高性能的新型材料。

聚集诱导发光(AIE)材料具有耐久、抗光漂白能力强、抗洗脱等优势，在细胞和组织成像中得到广泛应用，生物成像要求光对活体损伤小，穿透力强，所以红光/近红外光的AIE材料成为优选。本课题在坚持研制AIE材料新体系的基础上，把上述现实需求作为核心内容，经过四年研究取得一系列成果。（1）以四苯基乙烯(TPE)为AIE生色团，通过D-A结构设计，开发出吲哚二酮与TPE共轭的橙红光AIE分子TPE-IND和2,2,3-三腈基-5,5-二甲基二氢呋喃(TCF)与TPE共轭的红光AIE材料TPE-TCF；其中TPE-TCF固体发光峰位在660 nm，效率24.8%。（2）在AIE材料体系中引入静电作用，得到了在不同极性溶剂、不同pH值下光谱稳定的橙红光小分子和聚合物AIE材料，其发光峰位在610 nm，效率11%，证明可被细胞胞吞。（3）对四苯基卟啉用TPE进行了不同方式的化学修饰，得到了在溶液、聚集体、固体薄膜中均具有较高发光效率的红光材料，且具有双光子吸收效应。（4）继承前期研究思路，用TPE作为AIE生色团，对传统典型的ACQ型红光染料苝酰亚胺和吡咯并吡咯烷酮（法拉利红）进行改造。在这些体系中发现了AIE与ACQ相互转化、相互制约的新现象。（5）在追求红光AIE材料的同时，注重AIE分子与小分子信号分子之间的化学作用，得到双色转换的AIE荧光探针，如TPE-IND、TPE-TCF以及二苯基亚磷酸酯修饰的四苯基乙烯TPE-DPP，分别具有对氢氧根、胺、超氧根敏感的反应，使发光在红/橙红和蓝/绿光之间转换，构成了基于AIE效应的双通道荧光探针，丰富和发展了AIE-型生物成像用AIE荧光探针的种类和用途。（6）为了更精准、灵敏地检测生物信号分子，一改以往用AIE分子做客体被主体如蛋白质、DNA等捕获分子内运动受限而发光的设计方案，把AIE分子设计成环状结构作为主体来检测小分子客体，模型实验获得成功。利用AIE分子聚集态不同发光有明显差异的特点，设计了同时带电荷和长烷基链的AIE分子，可对活细胞的细胞膜的脂筏区和非脂筏区进行实时、不同色彩成像。后两项成果是对以往材料设计概念的突破，成为进一步发展的良好开端。