雙光子生物螢光標記材料的基礎研究

《雙光子生物螢光標記材料的基礎研究》是依託吉林大學，由任愛民擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：雙光子生物螢光標記材料的基礎研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：任愛民
• 依託單位：吉林大學

項目摘要

雙光子吸收是一種三階非線性光學效應，雙光子螢光顯微技術是雙光子吸收材料最有可能獲得實際廣泛套用的方向之一。雙光子生物螢光標記材料是實現成像的關鍵。本項目旨在深入探討雙光子吸收與螢光發射原理，研究典型雙光子螢光探針分子結構，電子結構特徵與雙光子吸收、螢光發射的關係，摸索其用於生物活體檢測顯微成像的雙光子生物螢光標記材料的設計規律，完善雙光子螢光探針設計的原理，並將其付諸實際套用，爭取針對實際問題進行新型的雙光子螢光成像材料的分子設計，拓展和促進雙光子標記材料在生命過程分析方面的套用。

結題摘要

雙光子生物螢光標記材料是實現分子生物學、生物醫學活細胞成像的重要物質基礎。本項目就雙光子生物螢光標記材料的原理、分子結構-雙光子性質關係、識別機制和發光性質展開了系統的理論研究。主要側重於兩大問題的研究：分子電子結構－雙光子性質的關係，性質優良的雙光子生物螢光探針材料的分子設計。取得了一些重要研究成果如下： I, 拓展了研究雙光子吸收截面的方法。我們在充分利用完全態求和公式SOS的基礎上，結合半經驗ZINDO方法，明確考慮單激發和雙激發的作用，對中大尺度的分子體系的雙光子吸收性質的關係進行研究；同時考慮到半經驗方法在定量評估雙光子吸收上的不足，我們也用微擾理論推導出的雙光子回響理論進行了系統研究，利用它結合含時密度泛函理論實現了對中小尺度分子的雙光子吸收性質的理論預測，在大小一致性方面取得了相對準確的評估。 II, 總結了雙光子螢光探針的工作機理。螢光探針識別機理一般可分為開關型和比率型兩大類。開關型（OFF-ON）探針是基於螢光強度的改變來識別，主要源於光誘導電子轉移機理(PET)，而比率型探針依據螢光光譜變化（紅移或藍移）進行識別，主要包括光誘導電荷轉移（PCT）或分子內電荷轉移(ICT)，螢光共振能量轉移(FRET), 跨鍵能量轉移(TBET)，激發態分子內質子轉移型 (ESIPT)，以及激發單體-激基締合物機理等。而雙光子螢光探針的主要機制是PET、PCT、FRET和TBET。 III，理論研究和提出了一些重要雙光子螢光探針分子。針對探測Zn2+, Cu2+, Mg2+, PH,NO,DNA等分子離子，設計出一些新型的雙光子螢光探針分子的候選物。這些新設計的探針分子的雙光子吸收波長均位於近紅外光區，而且雙光子吸收截面值都大於100GM，有效地避免了生物自螢光和激發光光強對材料的光損傷。 IV,詳盡地研究了潛在螢光標記染料氮橋四萘嵌苯衍生物、六苯並暈苯衍生物、吡咯有機染料、系列大環噻吩衍生物、石墨烯雜化材料等的分子結構與雙光子吸收性質等光物理性質之間的關係，提出了調控與設計具有強雙光子吸收和高螢光量子產率的分子設計策略。在尋找新型雙光子染料、增強其回響方面的研究發現，溶劑效應、氮橋數目和共軛強度、卟啉雜化、取代基的數量和位置、強度、尺度等都對雙光子的吸收性質產生重大影響，分析了增強雙光子吸收的結構因素，獲得了調控雙光子回響的策略等重要信息。