Nan Zhang, Haixia Chang, Rong Miao, Taihong Liu*, Liping Ding, and Yu Fang*. J. Mater. Chem. B, 2024. DOI: 10.1039/d4tb00400k.

当今时代，以数字化、智能化为特征的新一轮工业革命蓬勃兴起，物联网、大数据、人工智能等新一代信息技术与农业农村加速渗透融合，推动我国农业迈向智慧农业时代。提高农业信息化水平，准确获取植物对温度、墒情、养料、农药的需求量以及对植物病害的早期监测和预防具有重要意义。双光子荧光成像技术利用荧光物质的生物环境敏感性，高效反馈活体植物的细胞活动、光合作用和基因行为等。位于生物光谱窗口（650 nm ~ 1450 nm）范围内的近红外发射荧光物质因生物组织穿透力强、光散射少以及成像信噪比高等优点而受到持续关注。同时，由于光散射少和植物组织的自发荧光可以忽略的优点，双光子吸收和双光子激发荧光技术在高分辨率生物成像和光动力学治疗方面取得了重大进展。

图（a）三种不同亲疏水结构的方酸菁衍生物分子结构；（b）三种方酸菁衍生物对拟南芥幼苗根和茎成像效果与商业荧光分子的效果对比；（c，d）拟南芥幼苗叶片和根部双光子荧光3D成像效果图；（e）拟南芥幼苗叶片构造和亚细胞示意图

本文设计合成了三种具有不同亲疏水特性的对称型四偶极方酸菁衍生物，分别为疏水型SQ1、双亲型SQ2和亲水型SQ3（图1a）。首先利用UV-vis、荧光光谱技术系统表征了三种化合物的本征光物理性质。研究表明，不同亲疏水特性的方酸菁衍生物在水中表现出较大的光谱差异，反映了该类化合物在水中不同的聚集行为；同时也表明方酸菁的近核修饰策略可以有效抑制D-A-D型方酸菁衍生物的自聚集现象。随后基于实验室研究基础，利用飞秒开孔Z-扫描技术考察了三种化合物的双光子吸收特性，获得了宽波幅范围的双光子吸收和较大的近红外双光子吸收截面。双亲性SQ2和亲水型SQ3的最大双光子吸收截面值在800 nm处分别约为1060 GM和1220 GM，同时二者具有较好的荧光量子产率和综合发光特性。进一步基于激光共聚焦显微镜考察了植物细胞的模拟生物成像效果，三种方酸菁衍生物在细胞实验中表现明显差异；疏水型SQ1快速吸收和均匀分布在洋葱表皮细胞壁中；双亲性SQ2对液泡和细胞核有特殊的亲和力，而亲水性SQ3特殊标记细胞液泡。最后，基于双光子荧光探针成像技术，选用拟南芥幼苗为研究对象，对三种方酸菁衍生物在其根部和叶片中染色情况进行对比（图1b），并进一步在植物组织中展示了深层组织穿透和高分辨率三维重构（图1c-e），高效用于生物成像分辨应用。总结而言，该工作系统揭示了方酸菁衍生物细微结构差异，导致了不同可视化生物成像效果，并建立了新型近红外双光子荧光化合物在植株活体成像中的应用范式。

该论文被选为Journal of Materials Chemistry B热点论文。

第一作者：陕西师范大学硕士研究生张楠

通讯作者：陕西师范大学房喻教授、刘太宏副教授

全文链接：https://doi.org/10.1039/D4TB00400K