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具有较高荧光量子产率及定位型超分辨成像能力的季铵化哌嗪罗丹明染料介绍

发布时间：2021-09-01 作者：axc 分享到：

具有较高荧光量子产率及定位型超分辨成像能力的季铵化哌嗪罗丹明染料介绍

罗丹明染料虽然被应用于超分辨成像，但其荧光亮度通常受激发后分子内扭转电荷转移（TICT）的非辐射跃迁过程的影响（图1a），其成像潜力并未得到完全的释放。通过对罗丹明的供体胺基进行环固定，可以**其激发态扭转，即TICT态，从而提升罗丹明的荧光量子产率。但依照这种策略，传统的罗丹明染料110的生物相容性较弱且合成路线复杂。

因此，研究者提出了一种季铵化哌嗪的新策略。该策略通过将具有吸电子效应的季铵基团连接在供体芳香胺上，降低了胺基的整体供电子能力，使得罗丹明染料的TICT态更不稳定，从而****TICT态的形成。

如图1b，我们**通过理论计算，比较了一系列供体胺基的离子化能。结果显示季铵化哌嗪具有较大的离子化能，其供电子效应较弱。接着，我们对传统的四甲基罗丹明和季铵化哌嗪罗丹明在水中的S1势能面进行了比较（图1c）。计算结果显示相较于四甲基罗丹明，季铵化哌嗪罗丹明给体的旋转能垒更高，且驱动能更小，因而更不容易形成TICT态。我们推测这种染料具有更高的亮度。

图1 理论计算预测季铵化哌嗪策略可以**TICT态形成。

为了验证上述计算结果，我们合成了季铵化哌嗪罗丹明，并与传统四甲基罗丹明的光物理性质进行了比较（图2a）。在水溶液中，季铵化哌嗪罗丹明的荧光量子产率（0.92）大约是四甲基罗丹明（0.47）的两倍，并且保持了罗丹明染料特有的高摩尔消光系数，有很高的亮度（荧光量子产率X摩尔消光系数）。我们进一步合成了季铵化哌嗪罗丹明的羧基衍生物，将其标记在生物大分子-抗体蛋白上，测量了其单分子光物理性质（图2b）。通过一系列详细的比较验证，我们发现季铵化哌嗪罗丹比四甲基罗丹明有更好的单分子亮度及更多的总收集光子数，表现出更强的单分子定位超分辨成像潜力。光谱及单分子的实验结果与理论计算的预期一致。

图2 季铵化哌嗪策略的光谱和单分子研究。

为了证实这种染料的定位型超分辨成像的能力，我们紧接着尝试运用标记有季铵化哌嗪罗丹明的抗体进行了微管标记的超分辨成像。由于季铵化哌嗪罗丹明的优秀光物理性质，超分辨成像清晰而准确地揭示了微管交错、弯曲的结构。在同等条件下，我们还比较了四甲基罗丹明的成像效果（图3），进一步展示了季铵化哌嗪罗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。