作者:刁雯蕙 来源:中国科学报 发布时间:2020/11/28 14:27:33
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让光学探针成为与时间赛跑的“GPS”

 

深圳先进院生物医药与技术研究所纳米中心副研究员张鹏飞

光学探针涉及化学、材料、光物理、生物、医学等多学科交叉领域,其开发与应用在生物检测和成像等方面具有重要意义,不仅为科研人员探索生命的奥秘提供有利武器,同时也为重大疾病的预防、控制及治疗提供了重要工具。

一直以来,中国科学院深圳先进技术研究院(以下简称深圳先进院)生物医药与技术研究所纳米中心的张鹏飞副研究员团队致力于高性能发光材料和光学探针的研发与应用,研发出基于聚集发光材料的多功能光学探针,探索光学探针在智能传感、功能成像、生物检测、免疫治疗等方面的运用场景。

会发光的分子材料

谈到张鹏飞团队与光学探针的渊源,要从一类会发光的分子材料说起。

2001年,香港科技大学的唐本忠院士团队首次注意到一类有机分子在溶液中不发光,在溶液挥发后变成干点时却可以发光。他将这种新现象定义为Aggregation-Induced Emission(AIE),意即“聚集诱导发光”。AIE现象具有科学价值和实际意义,通过在介观层次对分子按照一定规律进行排列,就会在不改变分子结构的情况下赋予其全新的性质。 作为一种具有优异性能的新型分子材料,AIE在各个领域都用应用潜力。博士期间,张鹏飞跟随唐本忠,基于AIE发光材料研发多功能光学探针,探索光学探针在智能传感,功能成像、生物检测等方面的应用。

团队研发的免洗快速成像光学探针

用AIE材料标记我们感兴趣的药物或者生物体,就像给它们安装了“GPS”一样,能实时监测到观察目标的具体位置。然而,张鹏飞认为,用于造影剂仅仅能够实现成像与定位,远远没有发挥其巨大潜力。只有构建能够实现智能感知与环境响应的分子探针才能帮助生物学家和医学专家可视化理解生命过程与疾病发生与发展的机制。 “传统的造影剂打入血管中,能回答血管的大小,却无法区分血管中含氧量的多少。”张鹏飞表示。

张鹏飞与唐本忠及其团队成员合作,尝试利用AIE发光材料研发能对生物活性分子具有智能响应能力的出有关一氧化碳的探针,通过荧光信号的方式,观察小鼠体内一氧化碳是否升高或降低,结果表明,荧光信号在遇到一氧化碳含量变化时,信号颜色不同。

张鹏飞表示,通过改变分子的排列方式和组合方式,就可以对光学探针的性能进行调控(如发射波长与荧光寿命),这就是聚集态科学为光学探针开发带来的新的机遇。同时针对特定功能进行光学探针的定制化研发,可以为现有光学探针的临床转化提供一条捷径。

多方尝试,开拓运用

一直以来,张鹏飞团队立足于生物医学应用需求,基于AIE材料尝试研发不同功能的光学探针。一方面,张鹏飞团队思考能否在体内快速检测中,让光学探针发挥“GPS”的功能。从2012年开始,张鹏飞团队就一直围绕药物及生物体的体内示踪开发近红外光学探针,到目前为止,已经开发出多种近红外光学探针用于生物大分子药物/载体、病毒、细胞等的示踪。最近,他们开发出近红外二区AIE光学探针用于仿生纳米机器人系统的示踪与定位,可以对其在体内跨越血脑屏障与脑胶质治疗过程进行实时监测与定位,为纳米尺度开展机器人的开发提供了便携的GPS定位系统。

张鹏飞团队

另一方面,团队也致力于在体外快速检测中让光学探针发挥“GPS”的功能。2018年,张鹏飞与唐本忠及其团队成员合作基于AIE光学探针研发出AIE转基因现场检测试剂盒及配套仪器,实现了转基因食品的快速可视化检测。对于农产品检测,特别是进出口食品来说,检测时间越长,变质的可能性就越大,快速可视化检测能够快速提高食品检测效率。

“我们要做的,就是要与时间赛跑。”张鹏飞说。

利用快速可视化的特点,研究团队致力于通过对材料的合理设计及可控改造,深入理解聚集态发光材料的发光特性,基于现有的具有临床转化前景的发光材料,开发新型的多功能生物材料,做到让光学探针与时间赛跑。

“多方尝试,才能开拓运用。”张鹏飞表示,针对不同功能研发探针,一方面能够增加团队在相关研究领域的技术储备和经验;另一方面,在先进院转移转化的工作氛围下进行科研工作,能够让研究方向更加明晰,产业化运作为科研成果提供了出口。

未来,除了在智能成像、生物示踪之外,张鹏飞团队还将进一步结合聚集态科学的研究过程中的基本科学认识,利用聚集态独特的光学特性,研发多功能光学探针,让光学探针成为与时间赛跑的“GPS”。

 
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