新型有机微纳激光材料的设计合成与活体血流示踪中的应用

The advantage of organic micro/nano-laser, i.e. high luminescence efficiency, narrow emission spectrum, may be applied to novel non-radioactive in vivo imaging. However, the current reported organic laser materials are not yet able to meet the requirements in terms of blood flow tracing. In this project, we intend to design and synthesize a series of organic laser materials with different structures, which can be prepared into a low-threshold micro/nano-laser, and then explore its in vivo blood flow imaging application. First, a series of organic laser materials with high quantum yield will be designed and synthesized. The the energy level and crystal packing form will be optimized to achieve the high laser emission efficiency. The organic micro/nano-laser with excellent performance will be prepared. The relationship between molecular structure and stimulated radiation charactor will be revealed. Furthermore, an organic laser material with two-photon excitation performance and biodegradability will be designed and synthesized to achieve two-photon pumped micro/nano-laser, which can improve the detection depth and biosafety to meet the requirements of in vivo detection. On this basis, we will explore the in vivo disintegration and metabolic pathway for micro/nano-laser. The research will provide novel ideas and guidance for developing non-invasive high-sensitivity tracing and testing of blood flow.

有机微纳激光器具有效率高、光谱窄的优点，有可能被应用于新型的非放射性活体成像技术。然而，目前报道的有机激光材料尚不能够满足在血流示踪方面的要求。本项目中，我们拟设计并合成一系列具有不同结构的有机发光材料，将其制备成活体内可用的低泵浦阈值有机微纳激光器，探索其在活体血流成像技术中的应用。首先设计合成一系列高量子产量的有机发光材料，调控其能级与晶体堆积形式，优化激光发射性能，制备出性能优良的有机维纳激光器，揭示分子结构与受激辐射性能的关系。进一步设计合成具有双光子激发性能和生物降解能力的有机激光材料，获得可进行体内双光子泵浦的微纳激光器，提高探测深度和生物安全性，满足活体检测的要求。在此基础上，探索微纳激光器的体内解体与代谢的可行途径。为发展无损伤高灵敏度血流示踪与检测提供新的思路和指导。

有机微纳激光器具有效率高、光谱窄、体积小、生物相容性好等优点，将其应用于新型的活体成像技术将会取得一系列创新性成果。本项目中，我们设计并合成了一系列不同结构的有机发光材料，通过取代基调控了其能级与晶体堆积形式，进而揭示分子结构与受激辐射性能之间的构效关系。我们在优化激光发射性能，提高分子生物相容性的基础上，将其制备成活体内可用的低泵浦阈值有机微纳激光器，探索了其在活体血流成像及其它生物学方面的应用潜力。项目为发展无损伤高灵敏度活体成像、检测与肿瘤治疗提供新的思路。. 我们已经完成了计划任务，成功获得50余个通过取代基调控的新型有机激光分子，并对分子进行了全面的结构确认与系统的光谱学表征。结合量化计算，深入分析了其中的构效关系，为后续各种性质的研究提供理论依据。探究了不同分子骨架结构的微纳晶生长条件。分析了取代基对受激发射性质的影响。总结了受激发射波长，腔体模式，泵浦阈值间的相互关系。拓展了有机激光材料的生物学应用。实现微纳晶小鼠脑血流示踪与双光子泵浦有机微纳激光发射。开发了新型双光子染料，并将其用于小鼠肿瘤的成像与治疗。具体取得了如下创新性成果：（1）获得非手性分子的螺旋手性纳米结构，首次在形貌手性结构中实现受激辐射；（2）首次通过理论筛选，设计合成了具有“turn-on”性质的双光子诊疗一体化分子，成功将其用于可控的双光子活体生物学成像与肿瘤光动力学治疗；（3）首次实现多巴胺氨组装单分子膜的原位电化学-光子学表征，实现多巴胺可控释放与神经细胞调控；（4）获得了高双光子吸收截面激光染料分子，首次在有机微纳晶结构中实现双光子泵浦的受激辐射，并将其成功用于多信号的生物学成像与肿瘤光动力学治疗。. 该项目的顺利实施，拓展了有机激光微纳材料的应用领域，为进一步开展有机微纳激光器的生物应用研究提供了设计策略、表征手段与研究经验。