欧阳钢锋院长团队在非线性光学成像领域取得新进展:解锁金环三核簇的多光子光致发光实现细胞成像
铸币金属环三核簇(CTCs)是一系列以Cu(I)、Ag(I)、Au(I)为三核,以有机配体为桥联的金属有机配合物。这一家族以其卓越的光物理特性,在发光器件、传感、催化等多个领域都展现出可广泛的应用前景。然而,CTCs家族往往由于颗粒尺寸大或强疏水性等特性,使其在生物化学领域的应用受到了极大的限制。多光子上转换光致发光(MPEL)是一种非线性光学现象,以其深层组织穿透力和低背景干扰,在生物成像中展现出独特的优势,结合低生物毒性、高成像灵敏度和良好的发光稳定性,为生物医学研究提供了一种高效的无创成像手段。尽管CTCs家族中的单光子光致发光(1PEL)现象已有广泛研究,但其MPEL性能尚未被探索,这也进一步限制了其在生物成像中的应用。
近日,研究团队首次揭示了CTCs家族中的代表性成员——一种基于吡唑的金环三核配合物(Au3)——在800-1000 nm近红外光激发下的多光子光致发光(MPEL)特性。尽管Au3的MPEL特性为CTCs在生物成像领域的应用提供了新的可能,但其较大的颗粒尺寸和强疏水性却限制了其在生物体内的应用。为了客服这些挑战,研究团队采用了静电纺丝技术,结合羟丙基-β-环糊精(HPβCD)作为基质,成功制备出一种新型的大面积、柔性、耐用且高透明的红色发光薄膜(Au3-CD薄膜),如图1所示。这种薄膜凭借其良好的可加工性,适用于各种应用场景。相较于原始的Au3微晶,Au3-CD薄膜的亲水性得到了显著的提高。更有趣的是,经过静电纺丝后,Au3微晶颗粒的尺寸从微米级别降低至纳米级别。因此,这一创新性的纺丝改性策略通过改进亲水性和降低颗粒尺寸,成功地改善了Au3的生物相容性。Au3-CD薄膜展现出了高达88.3%的光致发光量子产率,相较于原始的Au3材料提升了14.4%。同时,Au3-CD薄膜具有良好热稳定性与长期稳定性。

图1. Au3-CD薄膜的制备工艺和形态表征示意图
为了深入探究HPβCD与Au3的相互作用及其对光致发光特性的增强机制,研究团队采用了多种表征手段和模拟计算。多种表征结果共同指示了Au3与HPβCD外腔的羟基可能形成氢键作用。这种分子间氢键改变了Au3的激发态能级,从而抑制了激发态吸收,并提高了隙间窜跃的速率。这种微调控措施有效地改进了Au3-CD薄膜的光物理特性,使其展现出更优异的单光子/多光子光致发光性能以及更广的应用前景。
在实际应用案例中,研究团队以小鼠巨噬细胞与大肠杆菌作为模型,展示了Au3-CD薄膜在细胞成像中的应用潜力,如图2所示。生物电镜图显示,Au3-CD薄膜能够迅速溶解并释放出HPβCD包裹的Au3纳米粒子,通过细胞的主动内吞作用进入细胞内,实现细胞的多光子成像。与之相比,大肠杆菌作为具有代表性的原核细胞,其细胞壁的存在可能会限制发光材料的内化。而Au3-CD薄膜同样成功“点亮”大肠杆菌,显示出其在原核细胞成像中的能力。
综上所述,研究团队在首次发现Au3的多光子光致发光特性的基础上,采用的静电纺丝结合HPβCD的创新策略,显著地改善了Au3的生物相容性,使其成功实现了多光子细胞成像。这项研究成果不仅为CTCs家族在生物化学领域的应用研究提供了有益的参考和启发,更彰显了基于这一家族在生物成像、靶向递药与传感技术等方向的应用潜力。
图2. 通过Au3-CD薄膜实现的多光子细胞成像
相关成果以“Unlocking Multi-Photon Excited Luminescence in Pyrazolate Trinuclear Gold Clusters for Dynamic Cell Imaging”为题发表于Nature Communications期刊。中山大学欧阳钢锋教授、扬州大学田甜教授、中山大学第一附属医院吴超教授为论文通讯作者,2023级博士研究生陈钰欣为论文第一作者。本研究得到国家自然科学基金、广东省功能分子卓越基础研究中心、中山大学绿色化学与分子工程研究院的资助。作者同时感谢中山大学化学学院潘梅教授在MEPL表征方面给与的帮助,感谢中山大学分析测试中心在相关测试方面给予的大力支持。