基于贵金属纳米簇的受激发射损耗超分辨显微镜荧光探针的设计和成像

STimulated Emission Depletion (STED) microscopy is the first technique breaking the diffraction barrier and providing sub-diffraction resolution. After 20 years continuous development, significant progression has been achieved. However, as the limitation of property and quantity, only 30 nm resolution has been realized in real application and mainly restricted in the area of biology and medicine. We proposed in this project to use the noble metal cluster as a novel STED probe due to its small size, low toxic and tunable spectral. We will focus on the synthesis of highly fluorescent and stable noble metal cluster by optimizing the synthetic method, parameter and etc. Benefit from the new probe, higher resolution (15 nm) will be reached and broader research area will be stimulated. Furthermore, the surface and optical property can be modified via using the common chemistry methods or forming conjugation complex. Thus, the functionalized noble metal cluster will have the property of specifically recognize the photon generated electron-hole, free radicals and oxidation-reduction species through the fluorescence off-on or spectral shift effects. With the prepared STED probe, we will localize catalytic active site and monitor the reaction process on single catalyst using the STED microscopy. Combining other traditional characterization methods, the relationship between the particle size, morphology, crystal surface microstructure and the photo-generated charge transfer behavior and photoactivity will be systematically studied. More profound understanding of the microscopic physical and chemical processes involved in photocatalysis will be gained through this project.

受激发射损耗超分辨荧光（STED）显微镜是第一种突破光学衍射极限的超分辨显微技术，经过二十年的发展，已日趋成熟。但是由于所用荧光探针在性能和种类方面的发展滞后，目前使用STED显微镜进行实际研究的分辨率仅有30 nm且局限于生物医学领域。本项目选用小尺寸、低毒性、光谱易调控的贵金属纳米簇作为新型STED荧光探针材料，通过优化反应路线与条件，制备高量子产率、高稳定性的贵金属纳米簇，使STED显微镜的分辨率提高到15nm，为其应用领域的拓展奠定基础。通过进一步对贵金属纳米簇进行表面修饰改性或形成复合物，设计对光催化反应过程中的光生电子-空穴、自由基或氧化还原物质具有荧光开关或变色响应的特异性STED探针，并用于单粒子光催化反应活性中心的超分辨定位和监测。结合其它常规表征手段，揭示催化剂尺寸、形貌、晶面微观结构与光活性的关系，为光催化微观过程的理解提供支撑。

受激发射损耗超分辨荧光（STED）显微镜是第一种突破光学衍射极限的超分辨显微技术，经过二十多年的发展，已日趋成熟。STED显微镜的性能与所用荧光探针的性质密切相关，尽管目前已经有多种荧光探针如有机分子、荧光蛋白、量子点以及稀土上转换材料被证明可以被用于STED成像。但是开发小尺寸、低毒性、稳定性高具有特异设别性能的STED探针的研究一直没有停歇。金属团簇是一种由几个到几十个过渡金属原子组成，具有明显光致发光性质的小尺寸材料（粒径<3 nm），是一种潜在的STED探针。我们在本项目中通过采用多种还原剂和表面保护剂，合成了硅烷-金纳米簇，硅烷-铜团簇，氨基酸-铂、钯、金、银、铜团簇以及具有特异识别效果的适配体Ag团簇，并研究了其检测和成像性能。一些重要成果包括合成了对重金属具有荧光增强的Au纳米簇，建立了一种简单高效的检测Cd2+的方法，抗干扰能力强，选择性好；采用甲硫氨酸为稳定剂首次合成了水溶性的钯纳米团簇，可用于血红蛋白的检测，检出限低至50 nM，有望作为一种检测血红蛋白的新型荧光纳米探针；此外，采用3-巯基丙基三甲氧基硅烷作为稳定剂，通过一种简单、有效的光化学方法成功制备了粒径及荧光性质均不相同的金纳米簇，发现金纳米簇不仅具有荧光性能，还能在可见光下有效促进亚甲基蓝的降解，这个发现也进一步拓展了金纳米簇在催化领域的应用范围；最重要的是，通过对各种纳米簇进行筛选和成像，首次证明适配体保护的Ag纳米簇可被用于STED超分辨成像，分辨率达到50纳米，并表现出了比商业化染料更高的稳定性，结合适配体优秀的特异识别性能，有望成为新一代STED探针应用于更多的细胞成像。相关研究成果已发表论文13篇，申请专利3项，培养四名硕士生毕业，一名博士生预期2019年5月毕业。