细胞内有机微纳激光探针的设计、制备与应用研究

The development of life sciences required high sensitive and high resolving fluorescent labeling technology. Intracellular biolasers are paid more attentions due to their high brightness, narrow spectrum, multiple-optical-wavelength barcode. A critical challenge is the design and fabrication of intracellular organic micro/nano-lasing probes with smaller, lower threshold, the whole spectrum and multiple-wavelength barcode. In this project, we will synthesize several organic functional molecules with high efficiency lasing behavior based on molecular design and theoretical calculation. The inner regulation mechanism of molecular structures, self-assembly arrangement, lasing performance and biocompatibility is investigated. We will try to fabricate intracellular (single/two-photon pumping) micro/nano-lasers combining selective targeting modification techniques. We will highlight the lasing labeling for multiple cells by use of different organic dye and optical resonator. Based on the above-mentioned studies, a theoretical and experimental guidance for intracellular micro/nano-biolasers can be provided.

生命科学的发展要求原位、高灵敏度、高分辨率的生物荧光标记技术，分子内生物激光器因其发光亮度高、光谱窄、可多波长编码等优点引起了广泛关注。如何将有机微纳结构及优异发光性能与细胞标记探针相结合，设计得到更小、更低阈值、全光谱覆盖、多波长编码的分子内有机微纳激光探针，是一个挑战性的课题。在本项目中，我们将通过有机分子设计，结合理论计算方法，筛选并合成若干具有高效激光行为的有机分子，着重考察分子结构、自组装排布、激光性能与生物分子相互作用之间关系及其内在调控机制。在此基础上，尝试结合目标靶向定位技术实现单细胞内植入式（单/双光子泵浦）有机微纳激光器。利用有机激光染料的可修饰性、全光谱覆盖和光学谐振腔的选频作用，尝试应用于多细胞同时单独标记，为发展新型细胞内微纳激光器件提供新的思路和指导。

生命科学的发展迫切要求活体、原位、实时、动态化学和生物信息的高灵敏获取的研究方法，这对现代生物医学传感和成像技术提出了严峻挑战。光学成像技术因为其非同位素检测，在生命科学的前沿研究中具有非常重要的应用前景。尤为重要的是，分子内生物激光器因其发光亮度高、光谱窄、可多波长编码等优点引起了广泛关注。如何将有机微纳结构及优异发光性能与细胞标记探针相结合，设计得到更小、更低阈值、全光谱覆盖、多波长编码的分子内有机微纳激光探针，是一个挑战性的课题。.在为期四年的执行过程中，我们成功设计与合成了多种具有高增益、低生物毒性的有机激光材料，利用气相法、液相法和模板法的手段成功构筑了系列微纳米晶态结构，研究了分子结构、自组装形貌与激光性能之间的关系并揭示其内在调控机制，发展系列高性能有机微纳多色发光和激光探针。通过细胞吞噬作用，将有机微纳激光引入到细胞内部，在维持细胞正常生理功能的前提下，实现了自支撑细胞激光器。将制备得到的有机激光探针应用于监测巨噬细胞的泡沫化过程以及溶酶体、线粒体的高分辨率标记中，为疾病目标物的标记和示踪理论和实验的基础。.在国家自然科学基金委的关心和大力支持下，在项目组成员的共同努力下，本项目取得了若干创新性的研究成果，成功完成了项目的预期目标。超额完成了在主流学术刊物上发表3~6篇论文的预期研究成果，超额完成了在主流学术刊物上发表3~6篇论文的预期研究成果，至今已在国际高水平学术刊物上共发表研究论文20篇，分别发表在Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater.等国际著名化学和材料期刊上，受到国内外同行的广泛关注。此外，若干实验结果尚在整理中，将于近期完善并投稿。