近日，物理與光電工程學院生物醫(yī)學光子學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”熱點領域。設計并制備了一種具有頻率上轉換，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州大學助理研究員李灝為該論文第一作者，深圳大學副教授嚴偉和蘇州大學教授康振輝為該論文的通訊作者，深圳大學為第一完成單位和通訊作者單位。
在生物醫(yī)學光子學領域，如何同步獲取生物深層組織的結構與功能信息是當前研究的重點和難點。多模態(tài)成像技術憑借其跨尺度、多維度和可視化等優(yōu)勢，顯著提升了成像的精準性，為生命科學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，成為實現(xiàn)深層組織成像的關鍵光譜窗口。碳點（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)學成像、光診療一體化及生物傳感等領域展現(xiàn)出重要應用價值，為發(fā)展高性能多模態(tài)成像探針提供了新思路。
本研究通過元素摻雜與共軛結構調控，成功制備了具有頻率上轉換發(fā)光（FUCL）特性的氮摻雜碳點（N-CDs）。該N-CDs基于單光子吸收機制，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）、高信噪比（自發(fā)熒光干擾低）及良好的生物相容性。其擴展的π共軛結構賦予了對核酸的特異性識別能力?；谧灾鞔罱ǖ亩嗄B(tài)成像系統(tǒng)，N-CDs成功應用于：1）通過熒光強度成像實現(xiàn)植物細胞（洋蔥根尖）有絲分裂過程的動態(tài)示蹤和染色體形態(tài)學定性分析；2）通過熒光強度/壽命成像技術對哺乳動物組織（小鼠腎臟）進行雙模態(tài)成像，可清晰區(qū)分近曲小管（PCT）等精細結構；3）利用熒光強度成像技術實現(xiàn)對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，對推動生物醫(yī)學成像和精準醫(yī)學發(fā)展具有重要價值。
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（F-NCDs），以其為探針通過雙光子熒光壽命顯微鏡對核酸進行可視化成像研究。郭勇為該論文的第一作者，嚴偉和李灝為該論文的通訊作者，深圳大學為第一完成單位和通訊作者單位。
可視化活細胞中核酸（DNA和RNA）的形態(tài)和動力學是了解它們在調節(jié)生物體生長、發(fā)育和繁殖中如何發(fā)揮作用的關鍵。然而，目前缺乏能夠同時靶向DNA和RNA的有效探針，以及分析它們在生物體中的分布和相對比例的工具。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（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核酸（DNA和RNA）敏感的熒光壽命。以F-NCDs為探針結合雙光子熒光壽命成像技術（TP-FLIM）的多色成像能力來定量區(qū)分DNA和RNA在細胞核中的分布情況。該方法可以有效追蹤不同分裂階段植物細胞核（洋蔥根尖）中DNA/RNA分布的變化和區(qū)分動物組織（斑馬魚）的細胞種類。
本研究采用基于F-NCDs的TP-FLIM技術，建立了兩種互補的核酸分析方法。首先，a1/a2比率分析法通過DNA（a1）和RNA（a2）的熒光貢獻比實現(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，揭示了它們在細胞核內的空間分布特征。這兩種方法相結合，成功實現(xiàn)了對植物細胞有絲分裂過程中核酸動態(tài)變化的實時監(jiān)測，以及斑馬魚腦區(qū)特異性核酸分布的精確解析。實驗結果表明，F(xiàn)-NCDs探針結合TP-FLIM技術為研究核酸在細胞生命活動中的時空動態(tài)調控提供了強有力的研究工具。
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研發(fā)計劃項目、國家自然科學基金項目、中國博士后基金項目、廣東省基礎與應用基礎研究基金、廣東省教育廳基金、深圳市科技計劃項目和深圳大學醫(yī)工交叉學科研究基金項目的支持。
