科研进展简报

基于AIE发光机制的普适性超分辨光学成像

来源:武汉光电国家研究中心    作者:    发布时间:2018年04月09日

        2月23日,《材料·视野》(Materials Horizons)在线发表了武汉光电国家研究中心朱明强教授团队的最新研究成果《基于AIE发光机制的对无机和有机纳米结构的普适性超分辨光学成像》(AIE-based universal super-resolution imaging for inorganic and organic nanostructures)。

        由于光的衍射效应,常规光学显微镜的分辨率极限约为200 nm,因而难以清晰观察尺寸在200 nm以内的结构。近二三十年里发展的基于单分子定位的超分辨光学显微术(Super-resolution Optical Microscopy)利用时间换空间的方式,打破了光学显微镜的分辨率极限。然而,超分辨成像探针的开发及新的成像机理进展相对缓慢,限制了超分辨光学成像的实际应用范围,发展一种广泛适用的普适性超分辨成像探针及技术具有十分重要的科学意义和应用价值。

        鉴于此,华中科技大学武汉光电国家研究中心朱明强教授课题组将聚集诱导发光现象(AIE)与静电相互作用机理有机结合在一起,提出了一种同时适用于合成无机、有机材料以及天然生物材料的普适性超分辨成像方法。以往已有的超分辨显微.镜技术必须使用光照刺激甚至添加其他辅助试剂产生荧光开关效果,与此不同,此方法仅使用了一种带多个正电荷的AIE活性荧光分子(OF+)探针,通过阴阳离子之间的动态的静电相互作用,OF+分子会与表面带有负电荷的材料发生动态的结合(发射AIE荧光)与脱离(荧光猝灭),实现界面处荧光分子随机的“开”和“关”现象,进而成为超分辨成像的必要条件之一。

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利用GCC反应合成的AIE超分辨探针OF+

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利用OF+进行超分辨成像的原理图   

        他们选择了表面带有负电荷的银纳米线、细菌纳米纤维素以及带有阴离子嵌段的聚苯乙烯-b-聚丙烯酸嵌段共聚物(PSt-b-PAA)自组装体分别作为无机、天然有机、合成有机三大类纳米结构的模型,使用阳离子型AIE活性荧光分子OF+作为探针,实现了对这三种样品的超分辨成像。以银纳米线为例,常规荧光成像得到了边缘轮廓模糊的银纳米线图像,测得的半高宽(FWHM)直径为数百纳米,明显超过了银纳米线的实际尺寸;而超分辨率图像中观察到轮廓清晰的银纳米结构,统计分析出直径为35.43±11.72 nm,与SEM表征的直径31.75±9.96 nm十分吻合,但与 SEM苛刻条件相反,此方法能够在溶液状态下进行原位成像,展示出此方法的有效性和强大性。

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银纳米线的超分辨成像及其表征:a) 明场图;b)荧光图;c)超分辨图;d)超分辨图(c)中银纳米线尺寸统计;e)光子数分布;f)荧光图和超分辨图中相同位置剖面半高宽分析;g)SEM图;h)SEM中银纳米线尺寸统计                                         

       

        该研究最大的意义在于,提出了一种新的普适性的超分辨成像探针和原理,即利用静电相互作用控制AIE行为的原理来获得探针分子荧光的随机开关,并实现了低于30 nm的纳米级超分辨成像。同时文中结尾部分也对未来工作进行了展望,提出根据聚集诱导发光所推导或延伸出的其他类似的动态荧光开关行为都能够有望进一步发展成为新型的超分辨成像显微镜技术。

        此项工作由武汉光电国家研究中心能源光电子实验室周岐元、范成(共同第一作者)、李冲(通讯作者)、王亚龙、陈泽强、余琦及朱明强(通讯作者)共同完成。

        该工作得到了“973计划”、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费和WNLO主任基金等经费的支持。

       全文可访问http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/mh/c8mh00089a#!divAbstract