注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析
目前，由于常见的具有羟基光学调控基团的荧光染料存在着发射波长较短、斯托克斯位移小、pH敏感等缺点，因此限制了其生物成像应用范围。近日，湖南大学袁林教授（点击查看介绍）小组在前期工作基础上进一步通过结构优化和性能调控，构建了可通过修饰羟基来设计高信背比荧光探针的长波长双光子荧光染料。
图1.（A）化合物 LDOH-1-4 和 Ctrl-1-2的设计和结构（B）化合物ACF4, LDOH-1和LDOH-4在不同pH下的荧光发射光谱
该小组通过结构优化调控分子平面性和扭曲分子内电荷转移程度（如图1），成功构建了具有羟基光学调控基团的荧光染料LDOH-4，该染料具有长波长激发/发射（574/633 nm）、合适的pKa（5.13）和较大的斯托克斯位移（59 nm）等良好的光学和化学性质（如图2），并且可方便通过羟基的保护与脱保护策略发展具有高信背比的成像荧光探针。
图2. 基于染料LDOH-4的分子探针设计原理
同时，作为概念性验证，该小组利用LDOH-4构建了一种硝基还原酶（NTR）激活的双光子荧光探针LDO-NTR。该探针本身没有荧光，在NTR存在下，释放出强荧光的LDOH-4（> 310倍），经计算得出探针的检测限是0.79 ng/mL，并且可方便应用于小鼠缺氧肿瘤内内源性NTR的成像（如图3）。该具有羟基光学调控基团的长波长双光子荧光染料在高信背比成像探针发展中具有很好的应用前景。
图3. LDO-NTR的生物应用
这一成果近期发表在Analytical Chemistry 上，文章的第一作者是湖南大学的硕士研究生彭蓉、博士研究生袁婕和程丹博士，通讯作者是袁林教授。该工作也得到国家自然科学基金等项目的支持。
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Evolving a Unique Red-Emitting Fluorophore with an Optically Tunable Hydroxy Group for Imaging Nitroreductase in Cells, in Tissues, and in Vivo
Rong Peng, Jie Yuan, Dan Cheng, Tianbing Ren, Fangping Jin, Ronghua Yang, Lin Yuan*, Xiaobing Zhang
Anal. Chem., 2019, 91, 15974-15981, DOI: 10.1021/acs.analchem.9b04564
袁林博士简介
袁林，湖南大学化学化工学院、化学生物传感与计量学国家重点实验室教授、博士生导师，主要研究方向为分子探针设计及生化分析应用，目前已在国际学术期刊上发表论文90余篇（详见http://grjl.hnu.edu.cn/cc?code=F7742B53D97CE182758967E578323672 ）。
https://www.x-mol.com/university/faculty/40462
科研思路分析
Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？
A：荧光分析技术作为一种直观、简单的技术在功能分子标记和检测方面得到了广泛的应用。然而，如上所述，常见的具有羟基光学调控基团的荧光染料存在着发射波长较短、斯托克斯位移小、对pH比较敏感等缺点，限制了这些染料在生物成像方面的应用。我们的目标是通过调控分子平面性和扭曲分子内电荷转移程度以构建具有羟基光学调控基团的多功能长波长双光子染料，以期为发展高信背比双光子荧光探针提供良好染料平台。
Q：研究过程中遇到哪些挑战？
A：本项研究中最大的挑战是如何调控分子结构，找到影响分子结构的最大因素，以获得性能优良的长波长双光子染料。在这个过程中，我们团队在分子结构设计方面的知识积累起了非常重要的作用。
Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？
A：该荧光染料具有长波长激发/发射（574/633 nm）、合适的pKa（5.13）和较大的斯托克斯位移等良好的光学性质。因此该染料未来在荧光标记、分子探针设计及成像等方面应该会有比较好的应用前景。
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