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Chem. Mater.┃多中心发射碳点:荧光变色和活体水平监测氧化应激动力学

英文原题:Multicenter-Emitting Carbon Dots: Color Tunable Fluorescence and Dynamics Monitoring Oxidative Stress In Vivo

通讯作者:夏云生,安徽师范大学

作者:Yi Wang, Ge Guo, Jialin Gao, Zhibin Li, Xueer Yin, Changqing Zhu, and Yunsheng Xia


氧化应激是体内氧化-抗氧化失衡的状态,倾向于前者,由体内活性氧(Reactive oxygen species, ROS)过量生成所致。它与多种生理活动和病理过程相关,如伤口愈合、衰老、炎症、心血管类疾病以及癌症等。近年来,氧化应激和ROS的研究引起了科研工作者的持续兴趣。多种荧光探针已经应用于检测各种生命系统中的ROS,包括细胞、亚细胞器、组织和活体。然而,这些检测体系大多将研究重点关注在ROS的空间分布上,其获取的信号往往也是长时间累积(从几十分钟到几小时)的结果。迄今为止,尚未实现实时监测活体水平上氧化应激或ROS演变的动力学过程,原因包括两个方面。一方面,ROS具有寿命短、反应活性高和浓度低的特点,实时监测其在活体水平上的演变过程具有很大的挑战性;另一方面,为减少探针累积的时间和获取可分辨的信号变化,理想的荧光探针需要具备抗光漂白、高亮度等光学性质和优异的分析性能(如高灵敏度、响应速率快、信号有显著颜色变化等)等特点,然而目前已报道的探针都不能同时具备这这些要求。实时监测生物体内的氧化应激或ROS演变动力学,不仅是基础研究需要,还有助于更好地理解其在相关生理活动中的作用,并为相关病理学研究提供帮助。此外,由于次氯酸(hypochlorous acid, HClO)是寿命最长的ROS,且与刺激引起的氧化应激活动息息相关。因此,它是研究氧化应激动力学的理想研究对象之一。

图1. 碳点的表征、光学性质和多中心示意图


近日,安徽师范大学夏云生教授(点击查看介绍)课题组在Chemistry of Materials 上报道了一种高亮度、荧光可变色的多中心发射碳点,并首次实现了在秒级别水平监测伤口引起的活体氧化应激(HClO爆发)动力学过程


本工作通过“bottom-up”法制备和色谱柱分离,获得了组分单一的黄绿荧光发射碳点。实验分析和理论计算发现,该碳点表面含有多个共轭聚芳香环单元作为荧光发射中心(多中心发射),其绝对荧光量子产量可达74.7 %。单颗粒荧光能够通过荧光显微镜直接观察,其亮度与57个荧光素分子相当(图1)。多中心发射机制为理解碳点荧光发射行为提供了一种清晰的光物理图像。实验表明,该聚芳香环还可以作为HClO的反应位点,实现对HClO高灵敏(检出限为8.60 nM)和瞬时(1 s内)的响应,荧光输出信号蓝移107 nm(从黄绿色到蓝色)。此外,基于密度泛函理论计算的吸收光谱与实验值高度一致,进一步验证了多中心荧光发射机制的科学性(图2)。

图2. 氧化后碳点的光学性质、表征和碳点对HClO响应的分析性能


以斑马鱼为模型,实验发现碳点能够检测活体内自发产生的HClO。对照实验验证了活体水平上的荧光颜色变化来源于碳点对累积的HClO响应(图3)。基于以上碳点对HClO响应的优异分析性能,进一步研究了碳点孵育的斑马鱼伤口处的氧化应激。实验发现:(1)首次观察到伤口处HClO爆发式生成;(2)HClO的爆发几乎是瞬时的(发生在切割后的1-5 秒内);(3)HClO爆发区域面积及其浓度水平在随后十几秒内呈线性增加。此外,伤口处的氧化应激行为表明,爆发的HClO分子主要源于原位生成,而不是迁移效应。


这项工作,一方面提出了荧光“多中心发射”机制,为理解碳点的荧光发射行为提供了一种清晰的物理图像;另一方面,首次在秒级别水平上研究了活体氧化应激动力学,为更好地理解氧化应激相关的生理和病理过程提供新的认识。

图3. 实时监测伤口引起的氧化应激动力学


相关论文发表在Chemistry of Materials上,安徽师范大学博士研究生汪宜为文章的第一作者,安徽师范大学博士研究生郭阁和皖南医学院第一附院高家林教授为共同一作,夏云生教授为通讯作者。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Highly Bright and Color Tunable Carbon Dots: Multicenter-Emitting Fluorescence and Dynamics Monitoring Oxidative Stress in Vivo

Yi Wang, Ge Guo, Jialin Gao, Zhibin Li, Xueer Yin, Changqing Zhu, Yunsheng Xia

Chem. Mater., 2020, DOI: 10.1021/acs.chemmater.0c01391

Publication Date: August 26, 2020

Copyright © 2020 American Chemical Society


导师介绍

夏云生

https://www.x-mol.com/university/faculty/8570


(本稿件来自ACS Publications


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