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CCS Chemistry | 用聚合物封装起来,荧光探针在水中也能高效发光

摘要:吉林大学田文晶课题组提出了一种利用含聚苯乙烯类聚合物封装荧光分子来提高荧光纳米粒子在水溶液中发光效率的方法。该方法制备的纳米粒子在水中近红外发射荧光量子效率高达46.5%,并在生物成像中获得了很好的效果,为荧光成像探针在生理环境中的应用提供了新思路。


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生物荧光成像已广泛应用于医疗健康领域,而荧光成像造影剂则是成像技术的一把钥匙,通过造影剂的标记、定位、示踪,可以探索生理和疾病的秘密。具有近红外发射的有机荧光探针是荧光造影剂研究的热点之一,发射波段在近红外区域可以避免生物自发荧光的干扰,有利于提升成像质量。通常,人们设计给受体分子结构来获得具有近红外发射的有机荧光分子,但是这类分子往往具有扭曲的分子内电荷转移效应,对溶液的极性极其敏感,在高极性溶剂如水、四氢呋喃、乙腈等溶剂中都会发生荧光淬灭现象。因此科研人员就会面临这样的问题:通过分子设计与合成,获得了一系列固态高效发光的荧光分子,一旦进入水溶液环境,分子的荧光强度就会大幅降低,功亏一篑,很难将这些分子切实应用到成像的生理环境中。那么如何开发简单有效的方法来提高分子在水溶液中的发光效率或者保护分子的固态高效发光不受水溶液极性的干扰就变得尤为重要。

 

吉林大学的田文晶教授研究组提出了一种利用含聚苯乙烯类聚合物封装近红外发射的分子来提高分子在水溶液中发光效率的方法。首先,他们设计合成了一种基于给体-Π-受体结构的近红外发射的分子TB-TPE,该分子具有扭曲的分子内电荷转移特性,发光效率依赖于溶剂极性,在非极性溶剂正己烷中,其量子效率可达90%以上,而在极性溶剂四氢呋喃中,量子效率只有0.8%。而且结晶并不能提高分子发光效率,晶体的量子效率只有2.1%,通过对晶体结构的解析发现,分子间的堆积结构为H型堆积,因此不利于分子聚集态的发光,因而导致结晶状态下无法获得高的发光效率(图1)。有趣的是,他们尝试利用不同浓度的含聚苯乙烯类聚合物封装荧光分子,发现分子的量子效率和荧光波长都随着聚合物浓度的变化而改变,最高的量子效率可达46.5%。研究表明,荧光分子TB-TPE可以分散进入聚苯乙烯内部,极大避免了荧光分子与水溶液的接触,而周围的聚苯乙烯提供了非极性的环境,同时,聚合物可以分散TB-TPE分子,避免分子间H型聚集(图2)。正是由于聚苯乙烯类聚合物封装荧光分子发挥了这两方面的作用,荧光分子才可以在水溶液中高效发光。


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(图1)

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(图2)


他们用聚苯乙烯-聚乙烯二醇为封装介质,将近红外发射分子TB-TPE与核磁/CT成像造影剂Fe3O4@Au共封装,进行小鼠皮下肿瘤的荧光/核磁/CT的多模态成像,获得了优异的成像效果。


综上所述,该研究工作提供了一种简单而实用的在水溶液中提高荧光探针发光效率的方法,这种方法极大改善了目前近红外荧光成像探针发光效率过低的问题,为荧光成像探针在生理环境中的应用带来了新思路,该工作以research article的形式发表在CCS Chemistry2021年第3期。第一作者是吉林大学博士研究生孟令臣,通讯作者是刘雷静副教授和田文晶教授。


文章详情:

Twisted Intramolecular Charge Transfer—Aggregation-Induced Emission Fluorogen with Polymer Encapsulation-Enhanced Near-Infrared Emission for Bioimaging

Lingchen Meng, Xibo Ma, Shan Jiang, Song Zhang, Zhiyuan Wu, Bin Xu, Zhen Lei, Leijing Liu*, and Wenjing Tian*

Citation:CCS Chem. 2020, 2, 2084–2094

文章链接:https://doi.org/10.31635/ccschem.020.202000420


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