华东理工大学教授杨弋、陈显军和副研究员蒋丽团队，联合上海交通大学教授朱麟勇团队，建立了普适、可拓展的近红外荧光激活染料理性分子设计新策略，并研发了命名为Shanghai Fluors（SFs）的荧光激活染料家族以及配套的钙传感探针，为活体神经环路精细成像、生物发育动态追踪、多色并行标记、荧光寿命定量传感等前沿生命科学研究提供高性能新型工具。相关研究成果近日发表于《美国化学会志》。

近红外荧光探针具有组织穿透深度大、生物光损伤低、生物自发荧光背景干扰弱等优势，是实现深层活体组织高分辨成像的核心工具。硅罗丹明（SiR）及其衍生物是目前应用最广泛的近红外荧光染料之一，兼具高荧光亮度与优异光稳定性。然而，基于SiR的传统激活型染料的荧光“开启”依赖螺内酯与两性离子之间的动态化学平衡，其平衡常数需精准控制在极窄区间内，且对分子骨架进行任何修饰均易破坏平衡。

针对该领域长期存在的技术瓶颈，研究团队提出扭曲分子内电荷转移（TICT）分子转子通用设计策略，在SiR母核meso位引入低空间位阻五元杂环构建分子转子。该策略将荧光调控核心机制从传统热力学化学平衡转变为激发态分子物理运动，从根源上解决了传统染料结构修饰敏感、性能易劣化的关键难题。

在此基础上，团队自主研发了SFs荧光激活染料家族。其中，核心染料SF676与HaloTag标签蛋白结合后，荧光增强倍率超1700倍，游离态背景荧光极低，活细胞成像无需洗涤即可实现90倍以上超高信噪比。通过微调母核化学骨架，团队进一步搭建发射波长覆盖绿光至近红外区间的完整染料阵列。同时，团队开展蛋白标签定向进化改造，筛选获得优化突变体iHalo。相较于原始HaloTag，iHalo与SF676结合后活细胞荧光亮度提升3倍，同时保留优异抗光漂白能力。

在成像应用层面，SF系列染料适配活细胞受激发射损耗（STED）超分辨显微成像，在连续采集36帧STED图像后，SF676仍保留初始80%荧光强度。该染料体系可直接用于活体小鼠脑组织神经元高分辨精细结构成像，清晰分辨树突棘等细微结构。此外，面向动态生物传感需求，团队基于SF骨架开发近红外遗传编码钙离子探针SFCa系列，具备钙离子响应灵敏、动态检测范围大的特点，同时兼容荧光强度、荧光寿命双模态定量成像，成功实现活体斑马鱼大脑神经元自发钙振荡实时动态监测。

新型荧光激活染料家族及其在先进成像和生物传感中的应用。研究团队供图

相关论文信息：https://doi.org/10.1021/jacs.6c06089