荧光分子在生物体系中的微环境效应及其影响研究

Fluorescence labeling plays pivotal role in biological study. Complexity and dynamic reversibility of biosystem cause great hindrance for in-vivo applications of fluorescent probes. Microenvironment effect of a fluorescent probe in biosystems greatly affects its biological fate and practical applications. Intermolecular interaction is the motivation of microenvironment effect; and self-assembly as well as photophysical property change are often the results. To further understand how a fluorescent molecule behaves in biosystem, systematic studies from molecule to molecule aggregates and then to supramolecular aggregates are needed. However, studies of this kind are severely lacking. Considering this, we propose to conduct this project based on our previous research: (1) a series of fluorescent molecules with certain self-assemble ability will be synthesized; (2) their photophysical properties and self-assemble behavior in different biosystems will be investigated; (3) the relationship between photophysical properties and self-assemble behavior of the system will be studied; (4) microenvironment effect of some selected molecules to the systems will be illustrated; (5) interaction between the obtained self-assembled aggregates and the biosystem will be explored; (6) a typical model for studying the microenvironment effect of fluorescent molecules in biosystems will be established. It is believed that investigating and studying the microenvironment effect of the distinctive fluorescent molecules in biosystems will be of great help to fluorescence probe design, enrich the research on molecular self-assembly and pave way for developing more favorable in-vivo probe.

荧光标记是生物研究中的重要手段。生物体系的复杂性和动态可逆性，是制约荧光分子活体成像应用的关键因素。微环境效应决定了荧光分子在生物体系中的作用途径和应用价值。分子间相互作用是微环境效应产生的动力，自组装行为和光物理性能改变是微环境效应的结果。从分子到分子聚集体再到超分子聚集体的研究，是理解生物体系中荧光分子行为的基础。然而，目前该方面研究还很少。为此，本课题立足已有工作基础，合成多个具有特定自组装能力的荧光分子；考察其在不同生物体系中的光物理性能和自组装行为；研究光物理性能和自组装行为间的联系；揭示特定荧光分子在生物体系中的微环境效应；探索自组装体与生物体系间的相互作用；建立研究荧光分子在生物体系中微环境效应的模型。通过考察特定荧光分子在不同生物体系中的微环境效应及影响，研究其中的科学问题，必将有助于拓展生物荧光探针的设计思路，丰富分子自组装的研究内容，为开发新型高效活体荧光探针奠定基础。

荧光标记在生物研究中发挥着非常重要的作用，经过多年的努力，科学家在成像技术以及荧光试剂的开发方面都取得了很多标志性成果。生物体系的复杂性和荧光分子的微环境敏感性，通常会使荧光分子在生物体系中的性能与模拟体系产生偏差，从而导致荧光分子在生物应用中会遇到一些问题。基于此，本项目提出荧光分子在生物体系中的微环境效应研究课题。旨在通过研究特定荧光单元在不同条件下的光物理性能和自组装行为，归纳荧光单元结构、光物理性能和自组装行为之间的关系，提出荧光单元与生物体系之间的相互作用模型，为进一步设计满足实际应用需求的荧光单元提供思路和依据。为实现项目研究目标，依据项目初期提出的研究内容，项目开展过程中主要聚焦于新型荧光单元的设计合成、光物理性能研究、不同溶剂中的行为研究以及生物应用等内容展开。具体而言，主要研究内容分为以下三方面：（1）制备了碳量子点、金纳米颗粒、小分子有机化合物等多种不同类型的荧光单元，系统研究了这些荧光单元的光物理行为和自组装行为；（2）开发了一种新型合成性能优异的微环境敏感型荧光单元的方法，该方法是基于可见光驱动的光化学反应，其操作简单，反应效率高，利用此方法，成功制备了22种微环境敏感型荧光分子；（3）基于所获荧光单元的性能研究结果，探索了这些荧光单元在传感、生物成像等领域的应用。目前，部分研究成果已发表并申请专利，还有部分研究成果还在投稿、整理发表中。总而言之，经过项目人员三年的努力，目前已圆满完成了项目预期的目标，在接下来的两年里，将进行该项目的延伸和拓展研究，在已获研究成果的基础上，以荧光分子结构范围拓展和反应条件、装置改进为核心，结合反应机理改进反应装置，从而获得一系列高性能荧光分子，探索其应用，为实现项目应用前景奠定基础。