陕师大房喻院士团队: 植株活体成像用新型近红外双光子荧光材料

RSC英国皇家化学会 · 公众号 · 科技自媒体科技媒体 · 2024-06-13 10:01

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研究背景

以数字化、智能化为特征的新一代信息感知技术进步推动着我国农业迈向智慧时代。提高农业信息化水平，准确获取植物对温度、墒情、养料、农药的需求量以及对植物病害的早期监测和预防具有重要意义。

双光子荧光成像技术利用荧光物质的生物环境敏感性，高效反馈活体植物的细胞活动、光合作用行为等信息。同时，位于生物光学透过窗口 (650 nm ~ 1450 nm) 范围内的近红外发射荧光物质因生物组织穿透力强、光散射作用小以及成像信噪比高等优点而受到持续关注。另外，具有时空分辨率高和背景自发荧光信号低等优点的双光子激发荧光技术在高分辨率生物成像和光动力学治疗等方面取得了较多关注。

文章简介

近日，陕西师范大学 房喻院士 和 刘太宏副教授 团队设计合成了三种具有不同亲疏水特性的对称型四偶极方酸菁衍生物，分别标注为疏水型 SQ1、双亲型 SQ2 和亲水型 SQ3（图 1）。

图1 . 三种不同亲疏水结构的方酸菁衍生物分子结构

该工作首先利用紫外可见吸收光谱、荧光光谱技术系统表征了三种方酸菁化合物的本征光物理性质。研究表明，不同亲疏水特性的方酸菁衍生物在水中表现出较大的光谱差异，反映了该类化合物不同的溶剂诱导聚集行为；同时也表明了方酸菁的近核修饰策略可以有效抑制 D-A-D 型方酸菁衍生物的自聚集现象。随后基于实验室搭建的非线性光学飞秒测试系统，利用开孔Z-扫描技术考察了三种化合物的双光子吸收特性，获得了宽波幅范围的双光子吸收和较大的双光子吸收截面。值得说明的是，双亲性 SQ2 和亲水型 SQ3 在 800 nm 处的最大双光子吸收截面值分别约为 1060 GM 和 1220 GM，同时二者具有较好的荧光量子产率和综合发光特性。

进一步基于激光共聚焦显微镜考察了三种方酸菁衍生物在细胞实验中表现出的明显差异：疏水型 SQ1 被快速吸收并均匀分布在洋葱表皮细胞壁上；双亲性 SQ2 对液泡和细胞核有特殊的亲和力，而亲水性 SQ3 仅特殊标记细胞液泡。而后基于双光子荧光探针成像技术，对三种方酸菁衍生物在拟南芥幼苗根部和叶片中染色情况进行对比（图 2a），并对植物深层亚细胞组织进行高分辨 3D 重构（图 2b-d），高效用于生物成像分辨应用探索。

图2. （a）三种方酸菁衍生物与商业荧光分子对拟南芥幼苗根部和茎部成像效果对比；（b，c）拟南芥幼苗叶片和根部双光子荧光 3D 成像效果图；（d）拟南芥幼苗叶片构造和亚细胞示意图

总结而言，该工作揭示了方酸菁衍生物细微结构差异赋予的不同可视化生物成像效果，并建立了新型近红外双光子荧光化合物在植株活体成像中的应用范式。该成果以“ Structure-activity relationships of aniline-based squaraines for distinguishable staining and bright two-photon fluorescence bioimaging in plant cells ”( 《方酸菁衍生物的双光子激发荧光特性及植株生物成像应用》 )为题，发表在英国皇家化学会期刊 Journal of Materials Chemistry B 上，并入选为 hot article 。

论文信息

Structure-activity relationships of aniline-based squaraines for distinguishable staining and bright two-photon fluorescence bioimaging in plant cells

Nan Zhang, Haixia Chang, Rong Miao, Taihong Liu* （ 刘太宏 ，陕西师范大学） , Liping Ding and Yu Fang* （房喻，陕西师范大学）

J. Mater. Chem. B , 2024
https://doi.org/ 10.1039/D4TB00400K

作者简介

张楠 硕士研究生

陕西师范大学

本文第一作者，陕西师范大学化学化工学院材料与化工专业 2021 级硕士研究生，导师为刘太宏副教授，从事光物理技术方向研究。

刘太宏 副教授

陕西师范大学

本文共同通讯作者，刘太宏，博士，陕西师范大学副教授。主要从事功能表界面、荧光传感及激发态行为调控研究。迄今以第一作者或通讯作者发表 JACS、ACIE、JPCL 等 SCI 论文 40 余篇，授权发明专利 5 项；获批国家自然科学基金委面上项目、科技部重点研发计划纳米前沿专项子课题、陕西省科技厅项目、军事科学院横向课题各1项；参与获得教育部科学技术发明一等奖（2022 年）、高等教育国家级教学成果二等奖（2022 年）和陕西省科学技术一等奖（2018 年）；参与具有自主知识产权的 SRED 系列隐藏爆炸物/毒品超灵敏探测设备研制。

房喻教授

陕西师范大学

本文共同通讯作者，英国 Lancaster 大学博士、陕西师范大学教授，中国科学院化学部院士。主要从事功能表界面与凝胶化学研究，被国际同行誉为“国际薄膜荧光传感领域的领军人物”。先后主持“863”重点、重大科学仪器专项、重点国际合作等项目 30 余项，搭建了国际首套薄膜荧光传感器研发平台，在相关领域顶级刊物发表论文 240 余篇，独立撰写了专著《薄膜基荧光传感技术与应用》，获授权发明专利 40 余项。曾任英国 Birmingham 大学 Research Fellow，陕西师范大学副校长、校长，现任中国化学会常务理事及应用化学学科委员会副主任、Langmuir 顾问编委、《物理化学学报》等期刊编委、国家教材委员会委员、国家高中和义务教育化学课程标准修订组组长、国家级物理化学教学团队负责人、国家级物理化学精品课程主持人。

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