苏州大学宋波课题组Chin. J. Chem.：通过两亲性嵌段共聚物的自组装构建发射可调的纳米荧光团及其在细胞成像中的应用

 

近数十年来，荧光成像因其简单操作和快速实时分析等优势被广泛应用于生物研究。寻求高灵敏度、光稳定性和生物相容性的荧光探针对于荧光成像至关重要。特别是探索具有近红外发射的荧光探针，因其低光损伤、高信噪比和深组织穿透深度等优点，具有很大潜力。然而，传统荧光探针大多是平面共轭化合物，具有聚集诱导淬灭（ACQ）特性；它们在溶解状态下有强烈荧光发射，但在高浓度或固态聚集状态下荧光强度常常被猝灭。2001年，唐本忠课题组报告了一类具有聚集状态下荧光增强特性的荧光团，提出了聚集诱导发射（AIE）的概念。最近，苏州大学宋波课题组通过RAFT聚合合成了一种近红外发射的两亲性嵌段共聚物，相关研究成果发表在Chinese journal of Chemistry.（DOI: 10.1002/cjoc.202200748）。

图1. 含有近红外发光的荧光基团作为单体引入嵌段共聚物中。共聚物组装后对细胞进行标记，实现荧光成像。（图片来源：Chin. J. Chem.）

作者首先合成了一种具有乙烯基端的近红外荧光团（DETA）。根据设计，DETA具有D-π-A结构，其中二甲基乙胺作为电子供体，氰基和羰基作为电子受体，TPE和噻吩作为π桥。强烈的电子供体-受体相互作用和延伸的π共轭作用的结合导致发射波长达到近红外区域。通过RAFT聚合引入PEG链段，制备出了两亲性的嵌段共聚物（PTN）。

图2（图片来源：Chin. J. Chem.）

作者通过AFM、TEM和DLS技术对聚合物PTN在水溶液中形成的纳米颗粒的形态和尺寸分布进行了验证。如图3a和3b所示，AFM分析显示PTN在水中的组装体呈球形，平均直径为26 ± 13 nm。TEM图像（图3c）也证实了这一结果。如图3d所示，通过DLS测定的流体力学直径为27 ± 8 nm。这些结果证明，PTN可以在水溶液中形成球形纳米颗粒。

图3（图片来源：Chin. J. Chem.）

具有D-π-A结构的分子通常具有溶剂致变色效应。为了研究这种效应，作者使用了紫外-可见光谱和荧光光谱。选定的溶剂包括甲苯、二氧六环、四氢呋喃、乙酸乙酯、二氯甲烷、丙酮、乙腈和二甲亚砜。如图4a所示，PTN在紫外-可见光谱中的峰值位置和吸光度在不同的溶剂中略有变化。但是，荧光光谱中的发射强度和发射峰位置却有很大的差异。如图4c和4d所示，即使溶剂不同，PTN溶液在自然光下呈淡黄色，在365 nm光下在不同溶剂中有鲜红色或暗红色的发射。图4b显示了发射峰的波长与经验溶剂极性参数E_T(30)的关系，随着溶剂极性的增加，发射峰波长随之增加，这是分子内扭曲电荷转移（TICT）的一个典型特征。同时，发射强度随着溶剂极性的增加而降低，进一步证明了PTN的TICT效应。

图4（图片来源：Chin. J. Chem.）

在四氢呋喃和水的混合溶剂中，DETA和PTN纳米粒子的荧光发射具有可调控的特点。图5a显示，荧光发射随水含量的变化而变化。在纯四氢呋喃中，PTN的最大荧光发射位于约770 nm处。随着水含量的增加，荧光发射波长红移，强度随着水含量的减少而降低，直到水含量为40%。这主要是由于加入水导致的TICT效应的加强，因为水的极性比四氢呋喃高。有趣的是，当水含量从50%增加到80%时，荧光强度急剧增加，发射峰转移到约720 nm，这可能是由于高水含量环境中的AIE效应。由于PTN的双亲性，在混合溶剂中形成了纳米级的聚集体。

图5（图片来源：Chin. J. Chem.）

商业近红外染料如Cy7的光稳定性较差，斯托克斯位移也较小，这阻碍了其在细胞成像中的广泛应用。相比之下，PTN具有良好的水溶性、光稳定性、大斯托克斯位移和生物相容性，可以作为更好的选择在细胞成像中使用。为了评估PTN在细胞成像中的适用性，作者选择了HeLa细胞作为研究对象，并进行了细胞成像研究。研究结果表明，大多数PTN纳米颗粒都分布在细胞质中，这表明PTN纳米荧光体可以容易地穿过细胞膜，并进入细胞质中进行染色，如图6所示。

图6（图片来源：Chin. J. Chem.）

在本项研究中，研究者设计合成了一种具有近红外发射的可聚合单体。将其作为单体，通过RAFT聚合方法制备出了两亲性嵌段聚合物。由于该单体的D-π-A结构，PTN同时具有TICT和AIE特征，并在水中显示出较大的斯托克斯位移，最高达约260 nm，并在720 nm处发射出近红外光。PTN的荧光发射可以通过调节环境极性调整。在水中，PTN可以形成直径约为27 nm的纳米球，并表现出良好的光稳定性、生物相容性和大斯托克斯位移。与DETA相比，PTN具有更优秀的水溶性和光稳定性，并成功应用于HeLa细胞的荧光成像。这项研究为制备水溶性近红外发射纳米荧光团用于细胞成像提供了一个有效解决方案。