吴富根&陈战Nano Letters: 一种荧光量子产率高达100%的有机硅点及其在溶酶体特异性成像中的应用

【引言】

荧光纳米材料由于其具有良好的光稳定性、可调的激发发射波长等优点在近些年受到广泛关注。然而，目前已有的荧光纳米材料存在毒性大（如硒化镉、硫化铅等半导体量子点），量子产率低（如贵金属纳米簇），合成复杂且表面不易修饰（如半导体聚合量子点），以及发射峰宽和多色发光（如碳点和石墨烯量子点）等问题。因此，开发性能优异且符合生物医学应用需要的超亮荧光纳米材料具有重要意义。另一方面，溶酶体作为细胞的消化中心，在细胞凋亡、细胞自噬、病原体防御以及细胞内信号转导等生理过程中起重要作用。发展一种性能良好的荧光纳米颗粒作为长时间观测溶酶体的荧光探针，为实现对活细胞溶酶体的长时间成像和对固定和透化处理后细胞的溶酶体成像至关重要。

【成果简介】

日前，东南大学生物科学与医学工程学院、生物电子学国家重点实验室的吴富根教授和美国密歇根大学的陈战教授合作，首次合成了超亮绿色发光有机硅点（organosilica nanodots，OSiNDs）。该OSiNDs具有超高的荧光量子产率（100%）和很窄的荧光发射峰（半峰宽约30 nm）。该OSiNDs能实现超长时间的溶酶体成像，其溶酶体成像效果不受细胞清洗、固定或透化处理的影响，是一种性能优异的新型溶酶体荧光探针。相关成果以题为“One-Step Synthesis of Ultrasmall and Ultrabright Organosilica Nanodots with 100% Photoluminescence Quantum Yield: Long-Term Lysosome Imaging in Living, Fixed, and Permeabilized Cells”发表在Nano Letters上[Nano Letters 2018, 18, 1159.]，吴富根教授和陈战教授为该论文的共同通讯作者，东南大学博士生陈晓凯和博士生张晓东为共同第一作者。东南大学为该论文第一完成单位。相关工作得到了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金优秀青年基金、江苏省“双创人才”计划、江苏省研究生科研创新计划和东南大学研究生院科研基金的支持。

【图文简介】

图1 OSiNDs的合成及对溶酶体成像的示意图

图2 OSiNDs的合成与结构表征

（a）用硅烷试剂AEEA和孟加拉玫瑰红RB制备OSiNDs的示意图；

（b）OSiNDs的TEM图像及粒径统计结果图；

（c）AEEA、RB和OSiNDs的红外光谱图；

（d-h）OSiNDs的XPS图谱；

（i）OSiNDs的MALDI-TOF图谱。

图3 OSiNDs良好的光学性质与细胞相容性

（a）RB和不同OSiNDs在白光和紫外灯下的照片；

（b）OSiNDs的紫外–可见吸收、荧光激发和发射光谱图；

（c）OSiNDs的CIE坐标图；

（d）OSiNDs的发光机理示意图；

（e）RB和OSiNDs的瞬态荧光光谱图；

（f）RB在光照和正常条件下的细胞毒性图；

（g）OSiNDs在光照和正常条件下的细胞毒性图；

（h）OSiNDs的RTCA结果图。

图4 OSiNDs对活细胞的溶酶体成像

（a-b）OSiNDs和商品化试剂（LT-Green和LT-Red）在细胞中孵育不同时间后的溶酶体成像效果图；

（c-d）OSiNDs、LT-Green和LT-Red在清洗后放置不同时间段的溶酶体成像效果比较图；

（e）OSiNDs和LT-Red的荧光稳定性比较图。

图5 OSiNDs、LT-Green和LT-Red耐固定与抗透化效果比较

图6 OSiNDs的溶酶体成像和内吞机理

（a-b）OSiNDs在不同pH环境中的溶解性图；

（c-e）不同内吞途径抑制剂对OSiNDs的内吞影响结果图；

（f）OSiNDs的的内吞及溶酶体成像示意图。

【小结】

本工作以廉价的硅烷试剂和孟加拉玫瑰红为原料，通过水热法一步合成了荧光量子产率达100%的绿色发光有机硅点（OSiNDs）。同时，该OSiNDs能实现对哺乳动物细胞溶酶体的长时间特异成像（长达48小时），且具有耐清洗、耐固定和耐透化的优点。此外，该荧光OSiNDs还具有制备成本低、合成方法简单、水分散性好、光稳定性好、细胞相容性好和光毒性低等优点，是一种极具应用的潜在商用化试剂。而目前应用最广泛的商用溶酶体探针LysoTracker系列染料的价格极为昂贵（3500–4500元/mL），且无法实现对固定或透化处理后的细胞的成像。本工作已经申请了专利（专利申请号：2017104788652），相关转化及推广正在进行中。

文章链接：One-Step Synthesis of Ultrasmall and Ultrabright Organosilica Nanodots with 100% Photoluminescence Quantum Yield: Long-Term Lysosome Imaging in Living, Fixed, and Permeabilized Cells.（Nano Letters，2018，DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b04700）

本文由吴富根教授和陈战教授团队供稿。

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