基于双光子激发的FRET新方法及其生物分析应用

荧光共振能量转移（FRET）被称作纳米尺度的光学"分子尺"，是一项高灵敏度、高分辨率的无损分析技术，在生物分子相互作用、结构表征及定量检测领域均有重要价值。但传统的单光子FRET方法在生物分析中尚存在诸多局限：1）以紫外/可见光激发供体，常导致受体分子直接激发，产生"假阳性"信号；2）生物样品的本底荧光和散射光会严重干扰并降低信噪比和灵敏度；3）紫外/可见光易造成生物样品损伤及荧光漂白。本课题提出双光子激发(TPE) FRET新思路，设计合成生物标记TPE供体，利用其反斯托克斯位移荧光属性，以近红外光激发，克服前述光谱缺陷，保证准确性和灵敏度；近红外光的低能量可减小样品损伤和光漂白作用，使TPE-FRET更有利于生物分析；此外TPE小分子易于设计裁剪的特征也使方法本身易于完善和发展。本课题思想具有原始创新性，藉此研究有望丰富荧光基础理论，拓展FRET方法，促进其生物分析应用。

本项目旨在发展一类基于双光子激发的上转换荧光共振能量转移分析新方法，并应用于生物医学分析。围绕这一目标，本项目执行期间以上转换荧光材料作为能量供体，以有机小分子染料、石墨烯、碳纳米颗粒、芳香性聚合物微球、二维原子晶体二氧化锰纳米片、纳米金颗粒以及量子尺寸银原子簇等材料为能量受体，建立了一系列上转换FRET分析平台和方法；提出并构建了双光子荧光材料为供体的新型分子信标，并提出了上转换荧光纸芯片这一新技术。通过系统性的能量受体和分析模型的探索，不断地提高上转换FRET分析的能量转移效率，从而提升方法的灵敏度。将所建立的分析方法用于血样等复杂生物基质的直接均相分析，在不作任何分离的前提下获得高的灵敏度和稳定性，充分证实了上转换FRET这一新技术在生物医学分析中的优良应用前景。与此同时，以上转换发光分子为荧光团，结合多种目标识别域，制备了一系列适用于双光子荧光成像的分子探针，实现细胞、组织样品中目标分子/离子监测。本项目主要创新性成果包括：.1）开创性地提出以石墨烯材料作为上转换FRET分析的能量受体，提高了FRET效率。.2）以更易获得的零维碳纳米颗粒替代二维的石墨烯，丰富石墨材料生物分析的研究思路。.3）开发出聚间苯胺微球和二氧化锰纳米片等能量受体，解决碳材料水溶性不足的问题。.4）首次提出以银原子簇作为能量受体，在完善上转换FRET方法学的同时，将银簇的分析研究和应用拓展至新领域。.5）首次将上转换荧光植入纸芯片检测，提出了一种非常有潜力的临床point-of-care诊断方法。.6）发展了芴环、喹啉等双光子吸收性能优良的荧光团，推动了双光子激发荧光探针的设计和应用。