近日，物理與光電工程學(xué)院生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)研究中心在國際知名期刊Advanced Functional Materials（影響因子18.5，中科院JCR一區(qū)，TOP期刊）和Analytical Chemistry（影響因子6.8，中科院JCR一區(qū)，TOP期刊）上發(fā)表高水平論文。
（1）題為“Near-infrared excitation/emission metal-free probe with frequency up-conversion for dual-modality imaging”的研究論文在Advanced Functional Materials上發(fā)表，并被列為“Hot Topic: Carbon, Graphite, and Graphene”熱點(diǎn)領(lǐng)域。設(shè)計(jì)并制備了一種具有頻率上轉(zhuǎn)換，近紅外激發(fā)和發(fā)射特性的探針用于多模態(tài)成像。中心博士后郭勇和揚(yáng)州大學(xué)助理研究員李灝為該論文第一作者，深圳大學(xué)副教授嚴(yán)偉和蘇州大學(xué)教授康振輝為該論文的通訊作者，深圳大學(xué)為第一完成單位和通訊作者單位。
在生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)領(lǐng)域，如何同步獲取生物深層組織的結(jié)構(gòu)與功能信息是當(dāng)前研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。多模態(tài)成像技術(shù)憑借其跨尺度、多維度和可視化等優(yōu)勢，顯著提升了成像的精準(zhǔn)性，為生命科學(xué)研究和重大疾病診療提供了重要工具。其中，近紅外波段（NIR，700-1700 nm）因其組織穿透深度大、散射系數(shù)低、自發(fā)熒光干擾小等特性，成為實(shí)現(xiàn)深層組織成像的關(guān)鍵光譜窗口。碳點(diǎn)（CDs）作為探針材料，具有原料豐富、合成簡便、生物相容性好等突出優(yōu)勢，特別是基于NIR熒光的CDs在生物醫(yī)學(xué)成像、光診療一體化及生物傳感等領(lǐng)域展現(xiàn)出重要應(yīng)用價(jià)值，為發(fā)展高性能多模態(tài)成像探針提供了新思路。
本研究通過元素?fù)诫s與共軛結(jié)構(gòu)調(diào)控，成功制備了具有頻率上轉(zhuǎn)換發(fā)光（FUCL）特性的氮摻雜碳點(diǎn)（N-CDs）。該N-CDs基于單光子吸收機(jī)制，在723 nm處呈現(xiàn)穩(wěn)定近紅外發(fā)射，兼具優(yōu)異的光穩(wěn)定性（光漂白抗性強(qiáng)）、高信噪比（自發(fā)熒光干擾低）及良好的生物相容性。其擴(kuò)展的π共軛結(jié)構(gòu)賦予了對(duì)核酸的特異性識(shí)別能力?；谧灾鞔罱ǖ亩嗄B(tài)成像系統(tǒng)，N-CDs成功應(yīng)用于：1）通過熒光強(qiáng)度成像實(shí)現(xiàn)植物細(xì)胞（洋蔥根尖）有絲分裂過程的動(dòng)態(tài)示蹤和染色體形態(tài)學(xué)定性分析；2）通過熒光強(qiáng)度/壽命成像技術(shù)對(duì)哺乳動(dòng)物組織（小鼠腎臟）進(jìn)行雙模態(tài)成像，可清晰區(qū)分近曲小管（PCT）等精細(xì)結(jié)構(gòu)；3）利用熒光強(qiáng)度成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)在活體小鼠皮下血管成像和血液流速的測量。該研究為開發(fā)新一代多功能生物探針提供了重要理論基礎(chǔ)，對(duì)推動(dòng)生物醫(yī)學(xué)成像和精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)發(fā)展具有重要價(jià)值。
圖1 N-CDs的生物成像
論文原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202502836
（2）題為“Fluorine-Nitrogen Codoped Carbon Dots for Visualization Imaging of Nucleic Acids via Two-Photon Fluorescence Lifetime Microscopy”的研究論文在Analytical Chemistry上發(fā)表。以2,4-二氟苯甲酸和甘氨酸為原料成功制備氟-氮共摻雜碳點(diǎn)（F-NCDs），以其為探針通過雙光子熒光壽命顯微鏡對(duì)核酸進(jìn)行可視化成像研究。郭勇為該論文的第一作者，嚴(yán)偉和李灝為該論文的通訊作者，深圳大學(xué)為第一完成單位和通訊作者單位。
可視化活細(xì)胞中核酸（DNA和RNA）的形態(tài)和動(dòng)力學(xué)是了解它們?cè)谡{(diào)節(jié)生物體生長、發(fā)育和繁殖中如何發(fā)揮作用的關(guān)鍵。然而，目前缺乏能夠同時(shí)靶向DNA和RNA的有效探針，以及分析它們?cè)谏矬w中的分布和相對(duì)比例的工具。因此，本研究成功制備一種具有雙光子吸收的氟-氮共摻雜碳點(diǎn)（F-NCDs），該F-NCDs表現(xiàn)出穩(wěn)定的熒光、良好的生物相容性和對(duì)核酸（DNA和RNA）敏感的熒光壽命。以F-NCDs為探針結(jié)合雙光子熒光壽命成像技術(shù)（TP-FLIM）的多色成像能力來定量區(qū)分DNA和RNA在細(xì)胞核中的分布情況。該方法可以有效追蹤不同分裂階段植物細(xì)胞核（洋蔥根尖）中DNA/RNA分布的變化和區(qū)分動(dòng)物組織（斑馬魚）的細(xì)胞種類。
本研究采用基于F-NCDs的TP-FLIM技術(shù)，建立了兩種互補(bǔ)的核酸分析方法。首先，a1/a2比率分析法通過DNA（a1）和RNA（a2）的熒光貢獻(xiàn)比實(shí)現(xiàn)了高靈敏度定量檢測。其次，相量圖分析法通過熒光壽命特征有效分離了DNA和RNA信號(hào)，揭示了它們?cè)诩?xì)胞核內(nèi)的空間分布特征。這兩種方法相結(jié)合，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)植物細(xì)胞有絲分裂過程中核酸動(dòng)態(tài)變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測，以及斑馬魚腦區(qū)特異性核酸分布的精確解析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)-NCDs探針結(jié)合TP-FLIM技術(shù)為研究核酸在細(xì)胞生命活動(dòng)中的時(shí)空動(dòng)態(tài)調(diào)控提供了強(qiáng)有力的研究工具。
圖2 基于F-NCDs的熒光壽命成像。
論文原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.analchem.4c06843
以上研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中國博士后基金項(xiàng)目、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金、廣東省教育廳基金、深圳市科技計(jì)劃項(xiàng)目和深圳大學(xué)醫(yī)工交叉學(xué)科研究基金項(xiàng)目的支持。
