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【JACS】量子产率提升100%！新型醚化罗丹明荧光染料助力超分辨成像突破瓶颈 ​

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一、研究背景与问题提出 ​

超分辨荧光成像技术如SIM（结构光照明显微镜）、STED（受激发射耗散显微镜）和SMLM（单分子定位显微镜）的发展，对荧光染料提出了极高的要求，包括高光稳定性、高亮度、良好的水溶性以及低背景噪声等。罗丹明类染料因其出色的光学性能被广泛用于生物成像，尤其是在超分辨成像领域中独具优势。然而，传统罗丹明染料存在疏水性强、易聚集、背景染色严重等问题，严重影响其在水环境下的量子产率和信噪比，限制了其在活细胞和组织中的广泛应用。

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尤其是在活细胞成像和动态跟踪中，荧光染料需要在高浓度条件下依旧保持高亮度与低背景，避免聚集诱导的荧光淬灭现象（AIE）和分子间的非特异性结合。因此，设计一种兼具高亲水性、高荧光亮度和良好荧光响应性的新型罗丹明染料成为当前研究热点。

二、醚修饰策略的提出与设计理念 ​

为克服传统罗丹明的上述缺陷，本文作者提出一种在罗丹明分子N端引入中性醚链的修饰策略，取代常规的N-烷基基团。新合成的染料包括N-醚修饰的罗丹明（ER）和硅罗丹明（ESiR）系列。该策略的设计核心在于：

  1. 提高水溶性：醚链增加了整体亲水性，降低染料在水中的聚集倾向；
  2. 构建“保护壳”结构：醚链可围绕染料形成空间包裹，屏蔽水分子碰撞，提高抗淬灭能力；
  3. 调控电子供体强度：醚氧原子的电负性降低了N位供电子能力，从而抑制TICT（扭曲型分子内电荷转移）诱导的荧光淬灭效应；
  4. 维持荧光可切换性：不干扰罗丹明从螺内酯向双极离子结构的动态转化，保留其可控“开关”性能。

三、实验结果与性能评估 ​

1. 光物理性质显著改善 ​

通过与传统N-四乙基取代罗丹明（如RhoB和TESiR）对比，ER和ESiR系列染料在水中表现出显著优势：

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  • ER系列量子产率由0.35提升至0.70，提升达100%
  • ESiR系列从0.19提高到0.41，提升超过115%
  • 水中亮度均显著高于对照组，且保持波长范围适中（ER约为545-570 nm，ESiR约为643-665 nm）

这些改进源于醚链提高水溶性、降低聚集体尺寸、稳定开放环结构等复合作用。

2. 浓度独立性分析 ​

在不同浓度（1–10 μM）条件下，ER和ESiR染料仍能维持稳定的量子产率和高亮度，表现出优异的抗浓度依赖性。这一特性解决了传统染料因浓度升高而聚集淬灭的问题，极大提升了成像灵活性。

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3. 聚集行为实证：SEM & D₂O对照 ​

通过SEM电子显微镜观察不同染料在水中的粒径，ER/ESiR系列的聚集颗粒尺寸明显低于N-烷基或咔唑衍生物。结合D₂O淬灭实验，ER和ESiR的量子产率对H₂O/D₂O几乎不敏感，证明醚链屏蔽作用有效降低水分子碰撞与能量耗散。

4. 量化计算支持 ​

作者基于量子化学计算进一步解释了机制：

  • 醚基团电子供体能力较弱，降低了TICT驱动力；
  • 能量面分析表明，ESiR的TICT态能量损失较小；
  • 醚链“包裹”结构减少了染料与水之间的极性接触区，提供稳定微环境。

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四、生物成像应用 ​

1. 膜完整性监测应用：ER2 ​

ER2因其长链醚结构无法穿透完整细胞膜，被用于活细胞死亡过程中膜完整性变化的荧光报告。实验显示：

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  • 经Erastin、Staurosporine、Nigericin等诱导后，ER2在细胞内荧光强度可提升超过4.4倍
  • 可视化细胞凋亡不同阶段，包括荧光增强→荧光丢失过程，清晰区分早期与晚期凋亡状态
  • 结合Annexin V共染和SIM成像，捕捉细胞膜破裂、微囊泡形成等事件 image.png

2. 可视化HaloTag标记系统：ER-Halo与ESiR-Halo ​

基于ER与ESiR构建的HaloTag探针在多个亚细胞结构中（核、线粒体、骨架等）成功实现高精度成像：

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  • 与经典TMR-Halo、TMSiR-Halo相比，ER-Halo与ESiR-Halo在细胞核中的SNR更高，且不随浓度升高显著下降；
  • SIM成像显示，在高浓度下依旧维持清晰分辨率，有助于深度、动态成像需求；
  • 染料修饰后仍具优异细胞通透性与生物相容性。

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五、研究亮点与意义总结 ​

  1. 设计巧妙：首次提出N-醚取代策略，统一解决聚集、淬灭和可控开关等多个瓶颈；
  2. 性能突破：相较传统染料，水中亮度提升可达2倍以上，信噪比显著提升；
  3. 应用广泛：涵盖细胞死亡监测、蛋白标记、超分辨成像等多种应用场景；
  4. 机制充分：配合实验与理论双验证，提供完整策略模板；
  5. 未来潜力：为发展更多多色、定量、高分辨探针提供新方向。

参考文献 ​

(1)

Fang, X.; Qiao, Q.; Li, Z.; Li, H.-K.; Huang, Y.; Hou, D.; Chen, J.; Xu, N.; An, K.; Jiang, W.; Tao, Y.; Bao, P.; Zhang, Y.; Wu, Z.; Liu, X.; Xu, Z. Ether Rhodamines with Enhanced Hydrophilicity, Fluorogenicity, and Brightness for Super-Resolution Imaging. J. Am. Chem. Soc. 2025, 147 (25), 22253–22267. https://doi.org/10.1021/jacs.5c08833.