在生物医学成像领域,科学家们一直面临着一项重大挑战:如何获得更清晰、更深入的体内结构图像。近日,麻省理工学院(MIT)的研究团队取得了一项突破性进展,他们成功开发出一种新型硼基荧光分子,这种分子不仅能在暴露于空气时保持稳定,还能发射红光和近红外光,为生物医学成像、温度传感和光电器件等领域带来了革命性可能性。
传统荧光染料的局限性
目前大多数荧光成像技术依赖于发射蓝光或绿光的染料。这些成像剂在细胞层面表现良好,但在组织成像中却存在明显局限。首先,人体自身产生的低水平蓝绿荧光会干扰成像信号;其次,蓝绿光在组织中容易散射,限制了其穿透深度,难以观察深层组织结构。
"红色荧光成像剂能够产生更清晰的图像,但大多数红色染料固有的不稳定性以及低量子效率(吸收光子后发射荧光光子的比例)限制了其应用。对于许多红色染料来说,量子效率仅为约1%,"该研究的资深作者、MIT化学系Robert Gilliard教授解释道。
硼鎓离子的突破性应用
在能够发射近红外光的分子中,硼鎓阳离子(含有一个硼原子连接到其他三个原子的带正电离子)引起了研究团队的注意。
这些分子最早在1980年代中期被发现时,被认为是"实验室 curiosities"(实验室奇观),因为它们极不稳定,必须在称为手套箱的密封容器中处理,以防止与空气接触而分解。
后来,化学家们发现通过将这些离子与称为配体的分子连接,可以提高其稳定性。Gilliard实验室在2019年发现,这些更稳定的离子具有一些特殊性质:它们能够通过发射不同颜色的光来响应温度变化。然而,这些离子仍然过于活泼,无法在开放空气中处理。
创新配体实现稳定化
在最新的研究中,Gilliard团队开始使用一种称为碳二卡宾(CDCs)的新型配体来进一步稳定硼鎓离子。这一稳定化突破使得这些化合物现在可以在不使用手套箱的情况下研究和处理,并且对光具有抗分解能力,不同于许多先前的硼鎓基化合物。
"在新的研究中,我们开始尝试CDC-硼鎓化合物中的阴离子(带负电离子)。研究人员发现,这些阴离子与硼鎓阳离子之间的相互作用产生了一种称为激子耦合的现象。这种耦合使分子的发射和吸收特性向光谱的红外端移动,"Gilliard解释道。
更令人惊喜的是,这些分子还产生了高量子效率,使它们能够更明亮地发光。
"我们不仅在正确的光谱区域,而且分子的效率也非常适合。在红光区域,我们的量子效率高达百分之三十几,这对于电磁光谱的这个区域来说被认为是相当高的,"Gilliard补充道。
多形态应用潜力
研究团队还展示了他们可以将含硼鎓的化合物转化为多种不同形态,包括固体晶体、薄膜、粉末和胶体悬浮液。
MIT化学家创造的含硼鎓分子暴露于空气时保持稳定,并能发射红光和近红外光。这种染料可以制成晶体(如图所示)、薄膜或粉末。上图是在普通光下拍摄的,下图是在紫外光下拍摄的。
在生物医学成像方面,Gilliard设想这些含硼鎓材料可以被封装在聚合物中,注入体内用作成像染料。作为第一步,他的实验室计划与MIT化学系以及MIT和Broad研究所的研究人员合作,探索这些材料在细胞内成像的潜力。
由于这些材料对温度具有响应性,它们还可以被用作温度传感器,例如监测药物或疫苗在运输过程中是否暴露于过高或过低的温度。
"对于任何温度监测重要的应用,这类'分子温度计'都可能非常有用,"Gilliard表示。
此外,如果将这些分子整合到薄膜中,它们也可能作为有机发光二极管(OLED)特别有用,特别是在柔性屏幕等新型材料中。
行业专家高度评价
"在近红外区域实现的高量子效率,结合优异的环境稳定性,使这类化合物在生物应用方面极具吸引力,"罗格斯大学化学教授Frieder Jaekle评价道,"除了在生物成像中的明显用途外,强且可调谐的近红外发射也使这些新的荧光团在防伪、传感器、开关和先进光电器件等智能材料方面非常有吸引力。"
未来研究方向
除了探索这些染料的可能应用外,研究团队目前正在努力将它们的颜色发射进一步扩展到近红外区域,他们希望通过引入额外的硼原子来实现这一目标。这些额外的硼原子可能会使分子稳定性降低,因此研究人员也在开发新型碳二卡宾来帮助稳定它们。
"我们专注于红光到近红外光的一个原因是,这些类型的染料比紫外和可见光范围内的光能更好地穿透身体和组织。红色染料的稳定性和亮度是我们在这项研究中试图克服的挑战,"Gilliard强调。
这项研究由Arnold和Mabel Beckman基金会以及国立卫生研究院资助,代表了荧光成像技术的一个重要里程碑。随着研究的深入,这种新型硼基荧光染料有望在生物医学成像、环境监测、光电器件等多个领域发挥重要作用,为科学研究和临床诊断带来革命性变化。