大连理工大学精细化工国家重点实验室肖义教授课题组与合作者新加坡科技设计大学的刘晓刚教授课题组发展出显著提高染料发光效率的新策略。此新策略为未来超分辨成像领域开发更多性能优异的荧光染料提供了很好的指导。相关研究成果发表在J. Am. Chem. Soc.,2019,141, 14491上。

对于现代生命科学，荧光显微镜是不可替代的强大工具。但由于光学衍射的限制，常规荧光显微镜的极限分辨率通常为200-300nm，以至于无法分辨更为微小的结构信息，这成为当前生物科学尖端研究和精准医学诊断的技术瓶颈。为了突破衍射极限，实现纳米级甚至分子级别的成像分辨率，近年来国际上兴起了超分辨成像技术，并成为了一个焦点领域，2014诺贝尔化学奖授予了此领域的三位开拓者。利用这种前沿技术，科学家们有望在分子水平上对活体细胞进行研究，如观察活细胞内生物大分子与细胞器微小结构以及细胞功能如何在分子水平表达和编码。而这些观察和研究又将全方位提升人们对于生命过程的认识和理解，极大促进新药开发、疾病早期诊断等等。

超分辨成像的效果非常依赖于荧光染料的性能，其要求染料具有极高的发光亮度和稳定性，这是由于超分辨荧光成像，相比于传统光学成像，是建立在更大规模的光子统计数据的基础上。目前适用于超分辨的荧光染料依然非常的稀少，因此人们迫切希望能提出普适性的策略，理性地设计出更多的超分辨荧光染料。

图1季铵化--显著提升罗丹明染料亮度的新策略

如图1所示，利用季铵基团吸电子效应，抑制染料在激发态形成扭曲电荷转移过程，降低分子扭曲导致的能量损耗，从而增强荧光发射。实验表明，季铵化染料（以罗丹明类为例）确实具有更高的单分子亮度及更多的总收集光子数，非常适合单分子定位超分辨成像。研究者应用季铵化罗丹明标记的抗体进行了微管超分辨成像(图1右)。

此外，为了在活细胞水平上验证季铵化染料的成像优势，进一步开发了两种针对亚细胞器标记的探针，即细胞膜探针(Mem-R)和溶酶体探针(Lyso-R)。二者均在活细胞靶标位置展现出闪烁的单分子信号特征。基于这些闪烁的单分子信号，成功地对活细胞的细胞膜和溶酶体进行了定位型超分辨成像（图2）。

最后，为了更进一步地说明季铵化策略的普适性，团队还将其拓展运用到几种其它类型的染料上，实验数据显示染料的发光亮度在原有基础上显著提高。

图2季铵化哌嗪罗丹明探针用于细胞膜和溶酶体的定位型超分辨成像

相关研究成果发表在J. Am. Chem. Soc.,2019,141, 14491上，大连理工大学博士研究生叶智伟，大连理工大学精细化工国家重点实验室工程师杨薇，新加坡科技设计大学王超博士和大连理工大学博士研究生郑莹为文章的共同第一作者。该工作得到了国家自然科学基金和大连理工大学的大力支持。

大连理工大学精细化工国家重点实验室肖义教授课题组一直致力于通过分子设计提升荧光染料的超分辨成像能力。将罗丹明染料衍生具有DNA双链大分子靶向功能的Hoechst标记基团，成功完成了对活细胞的细胞核DNA的定位型超分辨成像(Chem. Commun.,2018,54, 2842)。近期，课题组还发展了一种将羧基引入罗丹明螺环结构的分子设计策略，提升了罗丹明螺内酰亚胺染料的亮态寿命，并成功实现了对线粒体、细胞核组蛋白以及微管结构的光激活超分辨成像(J. Am. Chem. Soc.,2019,141, 6527)。