吳富根&陳戰Nano Letters: 一種熒光量子產率高達100%的有機硅點及其在溶酶體特異性成像中的應用

【引言】

熒光納米材料由于其具有良好的光穩定性、可調的激發發射波長等優點在近些年受到廣泛關注。然而，目前已有的熒光納米材料存在毒性大（如硒化鎘、硫化鉛等半導體量子點），量子產率低（如貴金屬納米簇），合成復雜且表面不易修飾（如半導體聚合量子點），以及發射峰寬和多色發光（如碳點和石墨烯量子點）等問題。因此，開發性能優異且符合生物醫學應用需要的超亮熒光納米材料具有重要意義。另一方面，溶酶體作為細胞的消化中心，在細胞凋亡、細胞自噬、病原體防御以及細胞內信號轉導等生理過程中起重要作用。發展一種性能良好的熒光納米顆粒作為長時間觀測溶酶體的熒光探針，為實現對活細胞溶酶體的長時間成像和對固定和透化處理后細胞的溶酶體成像至關重要。

【成果簡介】

日前，東南大學生物科學與醫學工程學院、生物電子學國家重點實驗室的吳富根教授和美國密歇根大學的陳戰教授合作，首次合成了超亮綠色發光有機硅點（organosilica nanodots，OSiNDs）。該OSiNDs具有超高的熒光量子產率（100%）和很窄的熒光發射峰（半峰寬約30 nm）。該OSiNDs能實現超長時間的溶酶體成像，其溶酶體成像效果不受細胞清洗、固定或透化處理的影響，是一種性能優異的新型溶酶體熒光探針。相關成果以題為“One-Step Synthesis of Ultrasmall and Ultrabright Organosilica Nanodots with 100% Photoluminescence Quantum Yield: Long-Term Lysosome Imaging in Living, Fixed, and Permeabilized Cells”發表在Nano Letters上[Nano Letters 2018, 18, 1159.]，吳富根教授和陳戰教授為該論文的共同通訊作者，東南大學博士生陳曉凱和博士生張曉東為共同第一作者。東南大學為該論文第一完成單位。相關工作得到了國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金優秀青年基金、江蘇省“雙創人才”計劃、江蘇省研究生科研創新計劃和東南大學研究生院科研基金的支持。

【圖文簡介】

圖1 OSiNDs的合成及對溶酶體成像的示意圖

圖2 OSiNDs的合成與結構表征

（a）用硅烷試劑AEEA和孟加拉玫瑰紅RB制備OSiNDs的示意圖；

（b）OSiNDs的TEM圖像及粒徑統計結果圖；

（c）AEEA、RB和OSiNDs的紅外光譜圖；

（d-h）OSiNDs的XPS圖譜；

（i）OSiNDs的MALDI-TOF圖譜。

圖3 OSiNDs良好的光學性質與細胞相容性

（a）RB和不同OSiNDs在白光和紫外燈下的照片；

（b）OSiNDs的紫外–可見吸收、熒光激發和發射光譜圖；

（c）OSiNDs的CIE坐標圖；

（d）OSiNDs的發光機理示意圖；

（e）RB和OSiNDs的瞬態熒光光譜圖；

（f）RB在光照和正常條件下的細胞毒性圖；

（g）OSiNDs在光照和正常條件下的細胞毒性圖；

（h）OSiNDs的RTCA結果圖。

圖4 OSiNDs對活細胞的溶酶體成像

（a-b）OSiNDs和商品化試劑（LT-Green和LT-Red）在細胞中孵育不同時間后的溶酶體成像效果圖；

（c-d）OSiNDs、LT-Green和LT-Red在清洗后放置不同時間段的溶酶體成像效果比較圖；

（e）OSiNDs和LT-Red的熒光穩定性比較圖。

圖5 OSiNDs、LT-Green和LT-Red耐固定與抗透化效果比較

圖6 OSiNDs的溶酶體成像和內吞機理

（a-b）OSiNDs在不同pH環境中的溶解性圖；

（c-e）不同內吞途徑抑制劑對OSiNDs的內吞影響結果圖；

（f）OSiNDs的的內吞及溶酶體成像示意圖。

【小結】

本工作以廉價的硅烷試劑和孟加拉玫瑰紅為原料，通過水熱法一步合成了熒光量子產率達100%的綠色發光有機硅點（OSiNDs）。同時，該OSiNDs能實現對哺乳動物細胞溶酶體的長時間特異成像（長達48小時），且具有耐清洗、耐固定和耐透化的優點。此外，該熒光OSiNDs還具有制備成本低、合成方法簡單、水分散性好、光穩定性好、細胞相容性好和光毒性低等優點，是一種極具應用的潛在商用化試劑。而目前應用最廣泛的商用溶酶體探針LysoTracker系列染料的價格極為昂貴（3500–4500元/mL），且無法實現對固定或透化處理后的細胞的成像。本工作已經申請了專利（專利申請號：2017104788652），相關轉化及推廣正在進行中。

文章鏈接：One-Step Synthesis of Ultrasmall and Ultrabright Organosilica Nanodots with 100% Photoluminescence Quantum Yield: Long-Term Lysosome Imaging in Living, Fixed, and Permeabilized Cells.（Nano Letters，2018，DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b04700）

本文由吳富根教授和陳戰教授團隊供稿。

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