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徕卡显微技术与AIE成像

有机发光材料通常具有光电效率高、响应快以及分子柔性等优点,其已经在有机电致发光器件、化学传感、生物探针等方面取得了广泛的应用。

然而,许多有机分子由于其平面的共轭结构使其在稀溶液中发光很强,但在高浓度溶液中或在聚集状态下荧光变弱甚至完全消失,这就是聚集导致淬灭(aggregation-caused quenching, ACQ)荧光现象。

ACQ的存在,似乎使得传统有机发光材料有了那么一丝不完美,让英雄前行的盔甲染上了黯然之色。

01.什么是AIE?

2001年,在一个特殊情况下,唐本忠院士(“AIE材料之父”)发现了AIE(Aggregation-Induced Emission)现象,它与ACQ正好相反,具有聚集诱导发光的现象。是一类非常特殊的有机分子,其在溶解状态下不发光,只有当分子聚集时才会发出强烈的荧光。

与普通荧光染料相比,AIE具有以下特点:


  • 在稀溶液中发光很弱,但在高浓度溶液中或在聚集(纳米粒子、胶束、固体薄膜或粉末)状态下荧光变强。具有典型的“人多力量大”(越聚集发光越强)的特性。

  • AIE荧光探针在细胞器特异成像和长效追踪等领域的应用备受期待。

  • 应用范围广泛,可以作为薄膜应用于OLED器件,作为纳米粒子或胶束应用于水系或生物体系。

02.AIE的前景

从AIE概念提出到现在,全世界已经有80余个国家和地区超过1500个国际团队进入该领域,总引用次数超过10万次,近两年每年新增的SCI级AIE论文超过1000篇。

图1:每年AIE相关研究的发文量统计(a)和引文量统计(b)

  • 中科院文献情报中心和汤森路透(Thomason Reuters)联合发布的《2015研究前沿》中,AIE被评为化学和材料领域前十项研究前沿的第二位,且为重点热点研究领域。

  • 2016年《自然》中,AIE纳米材料(AIE点)被列为支撑即将来临的纳米光革命的四大纳米材料体系之一。


契合中国政策:产学研结合。作为“中国品牌”的AIE材料,已经在光电器件、化学传感、生物检测和成像等领域展现了巨大的潜质。下面我们从熟悉的生物成像方面来看看AIE材料的应用。

03 AIE在生物成像方面的应用

先用一篇文章来描述AIE与光学成像系统的关系。AIE可以作为示踪信号,使我们了解从宏观à微观世界的各大方向:

相比于传统荧光染料,AIE染料的工作浓度更高,光稳定性更好,可以做长时间活细胞观察等特殊实验。

其生物毒性可编辑(既能合成生物兼容性染料,还能协同光动力治疗在特定光照下,精准杀伤细胞的染料。)

图2:在细胞学方向成像,从C与D图可以看出,AIE染料也可以用于STED超高纳米成像技术,提高成像的分辨率,能有效分析细胞内的信息。

图3:在组织学方向成像,利用AIE染料,对组织进行照影成像,找到病变区域,也是目前生物医学的研究热点之一。

图4:AIE的低毒性,高效率,富集发光的效益,也能很好的兼容模式生物方向的成像


文章引用:(Aggregation-Induced Emission (AIE) Dots: Emerging Theranostic Nanolights[J]. Accounts of Chemical Research, 2018.8b00060. Feng G, Liu B.)

04 Leica显微系统与AIE研究需求结合

从上面文章可以看出,AIE染料的研究需要从多方面入手,除了对化学功能基团修饰等,还需要掌握该修饰产生的结果:

  • 是否发生了染料激发发射曲线的改变?

  • 是否有对AIE的荧光寿命产生影响?

  • 在生物体内AIE的化学结构是否发生变化?


徕卡推出了以下三套系统,通过对AIE原位特征分析,解决以上的AIE研究所需要了解的情况,还能够解析诸如细胞微环境等信息,助力AIE生物学研究。

图5:AIE染料原位特征研究的Leica解决方案

了解AIE染料的特征信息之后,AIE染色的结果是否可靠,与商业化的染料是否有同样的可信度,这是AIE染料推向科研需求的最后一步,徕卡通过推出以下三类解决方案,完善AIE生物学上的应用研究。

图6:AIE染料的生物学成像中,Leica的成套解决方案。

相关阅读:正置双目生物显微镜


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