▲第一作者：杨佳佳硕士研究生 

通讯作者：周珠贤副教授     

通讯单位：浙江大学   

论文DOI：10.1002/anie.202202128  

本文发展了一系列花菁染料为核的聚赖氨酸树枝状大分子（花菁染料纳米点），具有精确的结构、明确的尺寸、可定制的荧光光谱、高荧光量子产率、优良荧光稳定性以及易于功能化的多个表面基团，这些花菁染料纳米点结合了量子点和有机纳米点的优点，可用于体内外多色成像、细胞追踪和肿瘤成像，是生物医学应用的理想荧光探针。

荧光分子探针辅助光学成像具有高时效性、高对比度和可定量等优点，是探索复杂生物体系和可视化给药的强大工具。如何从分子设计出发，通过精准调控荧光分子的尺寸、结构和内部微环境等，合成具有优异光学性能和理化性能的荧光探针是生物成像领域的重要挑战。

已发展的荧光探针包括小分子有机染料、量子点和有机纳米点，其中量子点虽具有明确的结构、可控的尺寸以及组成可调的光学性质，但其生物应用受限于较差的生物相容性和不易于功能化，而将小分子有机染料引入聚合物、树枝状大分子等有机纳米材料中得到的有机纳米点通常具有良好的生物相容性，且易于功能化，但存在结构、尺寸不明确，荧光量子产率低、荧光稳定性差等问题。

基于以上研究现状及面临的问题，我们希望设计结构明确、生物相容性良好且荧光性能可与量子点相媲美的荧光纳米探针。花菁染料具有高摩尔吸收系数、可调节的光谱特性以及优异的生物相容性，已被广泛应用于生物成像，但存在易光漂白和聚集淬灭等问题。本文提出以花菁染料分子为核心、以生物可降解的赖氨酸为分支单元、发散法制备聚赖氨酸树状大分子荧光探针的策略，构筑了一系列具有高荧光量子产率、优良稳定性、抗光漂白性和合适尺寸的分子级精准花菁染料纳米点，并初步探索了花菁染料纳米点在细胞和肿瘤成像等生物医学领域的应用。

提出了基于花菁染料构建单分子荧光纳米点的通用方法：

以花菁染料（Cy3、Cy5、Cy7）为核心，以生物可降解的赖氨酸为分支单元，采用发散法制备了一系列具有单一分子量、精确结构、较高纯度和均一尺寸的聚赖氨酸树状大分子（Cy-Gx，Gx为代数，x=1-8），阐明了该合成方法的可行性和通用性。

▲图1. 分子级精准花菁染料纳米点的合成与表征

揭示了花菁染料纳米点尺寸依赖的光学性能和相关机制：

以Cy5-Gx为代表，研究了不同尺寸花菁染料纳米点在水溶液中的光学性质，发现G1至G8代的Cy5-Gx的荧光量子产率、平均荧光寿命与荧光稳定性随着代数的增加而增强，其中Cy5-G8的荧光量子产率和平均荧光寿命分别是Cy5的2.2倍和4.4倍；探究了Cy5-Gx的荧光增强机制，即表面赖氨酸单元可以避免荧光分子聚集、抑制荧光分子间旋转并减少非辐射衰减。

▲图2. 可定制、高荧光量子产率、优良荧光稳定性的花菁染料纳米点

初步探索了花菁染料纳米点在生物医学领域的广泛潜在应用，可用于体内外多色成像、细胞追踪和肿瘤成像等：

在相应发射波长下可同时观察Cy3-G5、Cy5-G5、Cy7-G5在细胞内的分布情况，表明该系列多色纳米点能够同时、定量地分析不同纳米颗粒与细胞器、生物标记物间的相互作用；利用Cy5-G5和Cy5-G8观察到尺寸依赖的细胞摄取行为，表明该系列精准纳米点能够精准探索纳米颗粒性质与其细胞行为之间的构效关系；Cy5-G8能够在瘤内蓄积长达六天，信噪比高达3，在体内肿瘤成像中表现出优异的潜力。

▲图3. 花菁染料纳米点的广泛应用

本文发展了一种构建结构精准、尺寸明确、高荧光量子产率及优良荧光稳定性的花菁染料纳米点的策略。该策略以氨基封端的花菁染料为荧光核心，以叔丁氧羰基保护的、五氟苯酚活化的赖氨酸为重复单元，采用发散法逐级连接单体，制备了一系列花菁染料核心的聚赖氨酸树状大分子；通过选择不同荧光分子来定制荧光光谱，通过控制聚赖氨酸树枝状大分子代数来精准调控纳米点的尺寸。相较于小分子花菁染料，由于聚赖氨酸外壳的保护，花菁染料纳米点的光学性质得到显著提高。花菁染料纳米点仅由小分子有机染料和生物可降解的赖氨酸单元组成，具有良好的生物相容性。此外，我们证明了花菁染料纳米点在体内外肿瘤成像和细胞追踪方面的可行性。该策略可广泛应用于开发各类单分子成像探针，具有广阔的应用前景。

文章链接：

https://doi.org/10.1002/anie.202202128