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具有較高熒光量子產(chǎn)率及定位型超分辨成像能力的季銨化哌嗪羅丹明染料介紹

發(fā)布時間：2021-09-01 作者：axc 分享到：

具有較高熒光量子產(chǎn)率及定位型超分辨成像能力的季銨化哌嗪羅丹明染料介紹

羅丹明染料雖然被應(yīng)用于超分辨成像，但其熒光亮度通常受激發(fā)后分子內(nèi)扭轉(zhuǎn)電荷轉(zhuǎn)移（TICT）的非輻射躍遷過程的影響（圖1a），其成像潛力并未得到完全的釋放。通過對羅丹明的供體胺基進行環(huán)固定，可以**其激發(fā)態(tài)扭轉(zhuǎn)，即TICT態(tài)，從而提升羅丹明的熒光量子產(chǎn)率。但依照這種策略，傳統(tǒng)的羅丹明染料110的生物相容性較弱且合成路線復(fù)雜。

因此，研究者提出了一種季銨化哌嗪的新策略。該策略通過將具有吸電子效應(yīng)的季銨基團連接在供體芳香胺上，降低了胺基的整體供電子能力，使得羅丹明染料的TICT態(tài)更不穩(wěn)定，從而****TICT態(tài)的形成。

如圖1b，我們**通過理論計算，比較了一系列供體胺基的離子化能。結(jié)果顯示季銨化哌嗪具有較大的離子化能，其供電子效應(yīng)較弱。接著，我們對傳統(tǒng)的四甲基羅丹明和季銨化哌嗪羅丹明在水中的S1勢能面進行了比較（圖1c）。計算結(jié)果顯示相較于四甲基羅丹明，季銨化哌嗪羅丹明給體的旋轉(zhuǎn)能壘更高，且驅(qū)動能更小，因而更不容易形成TICT態(tài)。我們推測這種染料具有更高的亮度。

圖1 理論計算預(yù)測季銨化哌嗪策略可以**TICT態(tài)形成。

為了驗證上述計算結(jié)果，我們合成了季銨化哌嗪羅丹明，并與傳統(tǒng)四甲基羅丹明的光物理性質(zhì)進行了比較（圖2a）。在水溶液中，季銨化哌嗪羅丹明的熒光量子產(chǎn)率（0.92）大約是四甲基羅丹明（0.47）的兩倍，并且保持了羅丹明染料特有的高摩爾消光系數(shù)，有很高的亮度（熒光量子產(chǎn)率X摩爾消光系數(shù)）。我們進一步合成了季銨化哌嗪羅丹明的羧基衍生物，將其標記在生物大分子-抗體蛋白上，測量了其單分子光物理性質(zhì)（圖2b）。通過一系列詳細的比較驗證，我們發(fā)現(xiàn)季銨化哌嗪羅丹比四甲基羅丹明有更好的單分子亮度及更多的總收集光子數(shù)，表現(xiàn)出更強的單分子定位超分辨成像潛力。光譜及單分子的實驗結(jié)果與理論計算的預(yù)期一致。

圖2 季銨化哌嗪策略的光譜和單分子研究。

為了證實這種染料的定位型超分辨成像的能力，我們緊接著嘗試運用標記有季銨化哌嗪羅丹明的抗體進行了微管標記的超分辨成像。由于季銨化哌嗪羅丹明的優(yōu)秀光物理性質(zhì)，超分辨成像清晰而準確地揭示了微管交錯、彎曲的結(jié)構(gòu)。在同等條件下，我們還比較了四甲基羅丹明的成像效果（圖3），進一步展示了季銨化哌嗪羅丹明在定位型成像中可以提供更高的定位密度和更好的定位型超分辨成像的能力。