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我今天讲解的文献题目是对生物组织中过氧化氢进行比率成像的一种双光子荧光探针。
背景知识：过氧化氢是活性氧族中的重要一员，活性氧族包括（超氧阴离子自由基、过氧氢自由基、羟基自由基、过氧自由基、单线态氧、次氯酸等）在生物组织的生理衰老及病理方面有着重要的作用。
但是超过细胞正常水平的过氧化氢会引起DNA损伤、突变以及遗传的不稳定性。
1.与其他探针作比较：主要讲了采用硼酸盐机理保护的探针对过氧化氢具有较高的选择性，并在细胞中稳定成像，但是这些探针大多用于单光子显微镜并要求短波长激发，以上这些都限制了它在深入组织中的成像的应用。
与单光子探针比较。
双光子显微镜比单光子显微镜具有穿透力强、定位激发以及延长观察时间等大量优点而在检测活细胞组织中的过氧化氢方面具有很好的应用前景。
2.探针设计要求：对过氧化氢高效的双光子探针应具有以下特点：在水溶液缓冲剂中具有足够大的溶解性、对过氧化氢具有较高的选择性、有较高的双光子活性横截面和在生物PH范围内有较稳定的光谱性质。
探针的合成：通过过氧萘引入含有硼酸基的氨基甲酸酯合成了AN1。
与过氧化氢相连的硼酸盐与缺电子的氨基甲酸酯分离会得到富电的AN1，引起更多红移荧光散射。
并在模拟生理环境下表征它的光学特性以及AN1的光学特性，而且PN1相对AN1发生了50nm的蓝移。
AN1相对PN1有较大的位移是因为更稳定的电荷转移激发前荧光团的形态包括给电子基和吸电子基。
荧光性能测定：PN1与过氧化氢的反应主要通过发射荧光和液相色谱-质谱仪检测，产物AN1是主要的荧光物。
其他性能测定：1然后我们估测PN1在双光子模式下对过氧化氢的探测能力。
2PN1要比其他活性氧类对过氧化氢有更高的选择性。
2接下来力图利用PN1做双光子探针来检测细胞环境里过氧化氢含量的变化。
为了进一步建立PN1在生物成像领域的应用，我们也做了这个新探针在检测活的组织中过氧化氢含量变化的能力。
结论：最后我们得出结论，我们研究的这种新型双光子探针PN1具有大的荧光活性面、对过氧化氢有一个很明显的有蓝变绿的一个颜色变化过程、对活性氧类具有较好的选择性、低细胞毒性、对生物活性体内PH的变化不敏感等优点。
双光子荧光显微成像由于兼具诸如近红外激发、暗场成像、避免荧光漂白和光致毒、定靶激发、高横向分辨率与纵向分辨率、降低生物组织吸光系数及降低组织自发荧光干扰等特点而显著地优于单光子荧光显微成像,为生命科学研究提供了更为锐利的工具.用于研究离子的含量及其对生理的影响、离子参与的生理活动机制、离子与分子的作用、特定分子的分布及其相互作用等方面的双光子荧光探针,是实现成像的关键.双光子荧光探针的研究旨在促进双光子荧光显微镜应用的发展,促进生命科学、医学科学的快速发展,同时也带动双光子荧光探针所隶属的化学这一学科的发展。
双光子荧光探针的研究进展双光子荧光探针是一种在生物医学研究中被广泛使用的技术。
与传统的单光子荧光探针相比，双光子荧光探针具有更高的空间分辨率、更深的穿透能力和更少的光散射。
在过去的几十年中，双光子荧光探针已经取得了许多重要的进展，对生物医学研究和临床应用具有重要意义。
一、双光子荧光探针的原理双光子荧光探针是利用两个红外光子几乎同时在一个分子上发生非线性吸收，使其产生可见光的荧光信号。
双光子荧光探针利用了红外光子有更好的穿透能力和较低的光散射的特点，使得荧光信号可以从较深的组织中传出。
双光子激发还具有更高的空间分辨率，可以减少背景杂散信号对成像质量的干扰。
二、双光子荧光探针的制备制备双光子荧光探针的方法主要分为两类：有机染料和量子点。
1.有机染料有机染料是最早被用于双光子荧光探针的材料。
有机染料分子需要具有高的吸收截面和荧光发射效率，以提高探针的灵敏度。
近年来，科学家们研究出了一些新型的有机染料，比如桥接染料和卟啉染料，来提高双光子探针的性能。
2.量子点量子点是由半导体材料制成的纳米颗粒，具有优异的光学和电学性质。
量子点荧光探针可以通过调控量子点的粒径和合成不同元素的复合量子点来实现不同颜色的荧光发射。
此外，量子点还具有较高的光稳定性和荧光发射寿命，使其成为优秀的双光子荧光探针材料。
三、双光子荧光探针的应用1.细胞成像2.组织工程3.药物输送四、双光子荧光探针的挑战与展望虽然双光子荧光探针在生物医学研究中具有广泛的应用潜力，但仍然存在一些挑战和问题需要解决。
1.荧光寿命短目前的双光子荧光探针的荧光发射寿命通常较短，这限制了探针的成像深度和时间分辨率。
因此，如何提高荧光寿命是一个需要解决的关键问题。
2.控制探针的自由扩散总之，双光子荧光探针是一种重要的生物医学成像技术，在细胞成像、组织工程和药物输送等领域具有广泛的应用潜力。
未来的研究应致力于提高荧光寿命和控制探针的自由扩散能力，以实现更精确、更深入、更准确的生物医学成像。
《生物工程进展》2000,Vol.20,No.2荧光探针研究新进展章晓波 徐 洵(国家海洋局第三海洋研究所,厦门 361005)摘要 自从Southern(1975)首次进行DNA探针杂交后,至今核酸分子杂交已成为分子生物学的最基本方法。
Matthews和Kricka[1]总结了各种杂交方法,将其归为两大类:一是异相杂交(hetero2 geneous assay)即固相杂交,目的核酸结合于不溶性支持物上;二是同相杂交(homogeneous assay)即液相杂交,一般同时使用两个探针。
为了检测杂交,寡核苷酸探针需要标记,探针的标记物有放射性同位素和非放射性标记物。
固相杂交常使用放射性同位素,荧光素是一种非放射性标记物,它能检测到的DNA浓度比吸收减色测定方法所需DNA浓度低100-1000倍[2],在同相杂交中广泛用于探针的标记。
最近,荧光探针研究获得了新的进展,Tyagi和Krammer(1996)建立了一种新的荧光探针-分子信标探针,并得到许多应用,我们实验室也开展了这方面的研究。
本文拟对荧光探针的研究进展作一综述。
关键词 荧光探针 分子信标探针 荧光PCR1 常规荧光探针固相杂交中,探针非特异结合于支持物表面,降低了灵敏度。
Heller等(1982)以及Heller和Morri2 son(1985)[3]最早进行了同相杂交试验,同相杂交不需支持物,减少了固定目的DNA及除去未杂交探针等操作。
他们的试验中使用了两个探针,这两个探针分别与目标DNA的两个相邻区域互补,第1探针在3′末端标记,第2探针在5′末端标记,根据标记物的光谱特性,使第1标记物为第2标记物的能量供体。
当探针与目标DNA杂交时,二探针彼此靠近,光吸收或化学反应激发供体标记物,通过能量转移引起受体标记物的激发,这样,第1标记物发射光的减少以及(或)第2标记物发射光的增加标志着目标DNA的存在。
后来Morris on等[3]扩展了这一方法,他们使用的两个探针互补且相应于目标DNA上同一碱基序列,一个探针在5′末端标记荧光素,另一互补探针在3′末端标记荧光素发射的淬灭剂芘丁酸(pyrenebutyrate)或磺基若丹明101(sulforhodamine101)。
双光子荧光探针研究及其应用
双光子荧光探针是一种基于双光子激发的荧光探针，它利用两个光子几乎同时地激发样品中的分子，从而实现高度局部化的激发和探测。
与传统的单光子激发相比，双光子激发具有更深入的组织穿透能力和更低的背景干扰，因此在生物医学研究和生命科学领域中得到广泛应用。
双光子荧光探针的研究主要集中在以下几个方面：
1. 荧光探针设计：研究如何设计具有高荧光量子产率和稳定性的双光子荧光探针，以提高探测的敏感性和精确性。
2. 生物成像：双光子荧光成像技术可以实现对生物体内深层组织的高分辨率三维成像，对于生物医学研究和临床诊断具有重要意义。
研究人员通过选择适当的荧光探针，可以实现对特定生物分子、细胞结构和功能的非侵入性成像。
3. 荧光传感：双光子荧光探针可用于检测和传感生物体内的特定分子、离子和信号分子。
通过设计合适的配体和荧光基团，可以实现对生物过程和环境变化的实时监测和定量分析。
4. 荧光光谱学：双光子荧光探针的荧光光谱特性研究对于了解其激发和发射机制、荧光量子产率和荧光寿命等参数具有重要意义，有助于提高探针的性能和应用效果。
双光子荧光探针在生物医学研究和临床应用中具有广泛的应用前景，包括癌症诊断、药物筛选、神经科学研究、组织工程等领域。
随着技术的不断发展和突破，双光子荧光探针
将进一步推动生命科学的进展，并为人类健康提供更好的解决方案。
第43 卷 第 1 期2024 年1 月Vol.43 No.11~18分析测试学报FENXI CESHI XUEBAO （Journal of Instrumental Analysis ）荧光纳米探针的合成及其应用研究进展侯可心，丁晟，杨焜，王在玺，李钒*（军事科学院系统工程研究院，天津 300171）摘要：近年来涌现的荧光纳米探针独特的尺寸及结构赋予其优异的光稳定性、较高的荧光量子产率、可调的激发发射波长等众多优势，引起科研工作者的广泛关注。
荧光纳米探针作为一类重要的光响应性纳米材料在小分子及生物大分子检测、细胞成像、活体诊断等领域具有广阔的应用前景，有望成为传统有机荧光染料的理想替代物。
该文针对目前研究较多的量子点、金属纳米簇及金属-有机框架及其他纳米荧光探针，介绍了其结构组成、物理化学性质等基本性质，并着重阐述其主要合成方法以及在化学传感、生物医学等领域的应用及研究进展，最后对目前该领域的发展前景做出总结及展望。
关键词：荧光纳米探针；光响应性；量子点；金属纳米簇；金属-有机框架中图分类号：O657.3；G353.11 文献标识码：A 文章编号：1004-4957（2024）01-0001-18Research Progress of Design ，Synthesis and Application of Fluo⁃rescent Nanoprobe HOU Ke -xin ，DING Sheng ，YANG Kun ，WANG Zai -xi ，LI Fan *（Institute of Medical Support Technology ，Academy of System Engineering of Academy of Military Sciences ，Tianjin 300171，China ）Abstract ：In recent years the unique size and structure of fluorescent nanoprobe would give it excel⁃lent performances including good photo stability ，high fluorescence quantum yield and the adjustable length of the excitation and emission wavelengths ，and these advantages attract wide attention of re⁃searchers. Fluorescent nanoprobe as an important kind of photo -responsive nanomaterial is consid⁃ered promising in many fields such as small molecules detection ，biomacromolecules detection ，cel⁃lular imaging and real -time in vivo diagnosis ，and is expected to become an ideal substitute for tradi⁃tional organic fluorescent dyes. The aim of this review is to provide a survey on the research progress of the main materials such as quantum dots ，metal nanoclusters and metal organic frameworks ，in⁃cluding structure and physicochemical property ，especially the synthetic method and the application in chemical sensing and biomedical fields ，while finally make summary and prospect.Key words ：fluorescent nanoprobe ；photo -response ；quantum dots ；metal nanoclusters ；metal or⁃ganic frameworks 荧光探针作为一种荧光传感器，以荧光物质为指示剂，可通过荧光信号变化用于对特定分子的检测。
有机双光子材料的研究进展随着以光电子学为中心的信息时代的到来，具有特殊信息处理功能和超快响应的光电材料将成为未来信息材料发展的主体，而非线性光学材料就是其中发展较为迅猛的一种。
非线性光学是强光光学，研究的是物质在强光作用下产生的输出光强度与原入射光的非线性关系。
非线性光学材料在强光作用下，反映介质性质的物理量（如极化强度P等）不仅与场强E的一次方有关，而且还决定于E的更高幂次项，从而导致许多在线性光学中不能解释的新现象，表现出独特的非线性光学性质。
双光子吸收属于三阶非线性光学效应的一种，有着独特的光学和电学效益，使得双光子技术在未来光电子集成、生物分子探测、医学诊断等领域具有巨大的应用潜力和广阔前景[1]。
一、双光子吸收的基本概念双光子吸收属于三阶非线性光学效应，该理论最早是由Goeppert- Mayer于1931年首次提出的。
它是指在强激光激发下，利用近两倍于样品的线性吸收波长的光源激发该样品，使其通过一个虚中间态(virtue state)直接吸收两个光子跃迁至高能态的过程，所吸收的两个光子的能量可以相同(ω1=ω2，简并吸收)，也可以不同(ω1≠ω2，非简并吸收)，其机理如图1所示。
图1 单、双光子吸收和发射机理示意图和单光子吸收和发射相比，双光子吸收和发射有以下本征特点：（1）在材料中高的穿透深度。
单光子荧光过程是短波激发长波发射，吸收和发射所涉及的基元光物理过程服从Stark-Einstein定律。
而双光子荧光是长波激发短波发射，所用激发光的波长红移近一倍，一般位于600-900nm，远远低于单光子过程紫外辐照光(波长为250-400nm)的光子能量。
这一波段的光具有很好的穿透性，Rayleigh散射小，背景光干扰小，便于观测，并且光损伤、光漂白、光毒性都较小。
（2）双光子吸收具有高度的空间选择性。
双光子诱导的电子跃迁几率与入射光强度的平方I2成正比，并且只有入射激光的峰值功率密度(光强)达到一定的闽值，才会有双光子吸收现象。
在激光束紧聚焦条件下，双光子吸收效应局限于材料内部相当于入射波长立方λ3的微小区域内，而在焦点以外的地方，入射光的峰值功率密度可控制在激发阈值以下，则不会有双光子吸收，从而实现了双光子吸收效应的高度空间选择性。
（3）双光子吸收与单光子吸收的量子选择定则不同。
对于中心对称的分子，其电子态具有明确的宇称，分别标记为g(gerude)或u(ungerude)。
通常单光子吸收的选择定则为g-u或u-g，而双光子吸收的最大特点在于其选择定则是g-g或u-u，分子的宇称奇偶性保持不变[2]。
二、有机双光子吸收材料的研究现状双光子吸收技术的发展很大程度上依赖于在人们所希望的波长范围内具有大的双光子吸收截面分子的合成，在共轭链的两端对称地或不对称地接上给电子基团或受电子基团都可获得有效的双光子吸收材料。
目前，研究最多的双光子吸收材料的分子结构是π共轭单元两边对称地或不对称地接上供电子取代基或吸电子取代基，形成D- π- D、A- π- A或D- π- A型的分子结构。
通过改变供电子取代基或吸电子取代基, 增加共扼链的有效长度，或在共轭单元上引入各种基团而使分子的电荷重新分布，都可以增强分子的双光子响应强度。
虽然最先研究的双光子吸收材料是无机材料，但是同无机双光子吸收材料相比，有机双光子吸收材料具有许多优点：（1）成本低；（2）易于进行器件制作和集成；（3）性能可通过结构修饰进行调节；（4）光学损伤阀值高；（5）非线性光学响应快速；（6）具有相对于无机铁电晶体高一到两个数量级的非线性光学系数。
研究表明：双光子吸收材料的双光子吸收截面和化合物的结构有很密切的关系，如：分子的共平面性、分子的维数、π连接的长度等。
现有的有机双光子吸收分子按照其化学结构及空间维数可分为：一维线性双光子吸收分子，多枝状双光子吸收分子和聚合物双光子吸收分子等[3-5]。
1、一维线性双光子吸收分子一维线性双光子吸收分子是人们最先研究的有机双光子吸收材料。
一维线性双光子吸收分子可以分为对称的一维线性双光子吸收分子（D-π-D,D-A-D,A-π-A,D-π-A-π-D,D-π-D-π-D,A-π-A-π-A等,D 表示电子给体，π表示共轭键桥，A表示电子受体）和不对称的一维线性双光子吸收分子（D-π-A）两种类型。
常见的π中心为：苯、二联苯、芴、噻吩和蒽等。
与二苯乙烯（R1）相比，其它化合物（R2-R5）的双光子吸收截面值（σ2）明显增大。
M.Albota 等人通过计算认为，主要原因是取代基上推电子基团使电子离域增加，分子被激发后，电荷重新分布，增大了S1和S2态的跃迁矩。
为了提高一维分子的双光子吸收截面，可以从以下几个方面来改进：（1）增大共轭链的长度。
（2）增加双光子吸收有机发色团的数密度。
（3）增大分子的共平面性。
（4）改变有机分子共轭桥的密度或者引入极性更大的π电子共轭桥。
（5）增大末端的电子给体或电子受体的强度有助于增加双光子吸收截面。
一般而言，电子给体、受体的强度越大，越有利于形成电荷转移的共振态，扩大π电子流动范围，使分子在外场作用下更易发生分子内电荷转移而有利于增强分子的双光子吸收截面。
图2 有机双光子吸收材料2、多枝状双光子吸收分子探索多维树枝状的强双光子吸收材料是目前研究的热点之一。
这类分子主要是以同一结构单元为中心，例如：三苯胺及其衍生物（R6-R8）、三苯取代苯、苯环和芳香杂环等，各种常见的电子给体和电子受体的发色基团为支链形成树枝状或三维网状结构的大共轭体系的分子。
增加分子维数形成多枝结构，利用协同增强效应可以有效的提高分子的双光子吸收截面。
同时一维线形分子的双光子吸收特性和分子的结构之间的关联也适用于多枝类型的分子，给受体强度的增强和分子共轭链长度的增加，有利于双光子吸收截面的提高，增大共轭桥的可极化程度，促进分子内电荷转移，增大共平面性等都有助于增大分子的双光子吸收截面。
3、聚合物双光子吸收分子聚合物结构的双光子吸收材料报道的相对较少，K.D.Belfield小组和A.Hohenau小组分别报道了几种以芴的衍生物为单元的聚合物作为双光子吸收材料,化合物R9和R10的双光子吸收截面分别达到420和72000 GM。
三、双光子技术的应用双光子吸收有着明显不同于单光子吸收的特点，这使得具有强双光子吸收的材料在许多方面具有很好的应用前景。
诸如光限幅、激射、双光子聚合微加工、双光子三维存储，光动力学医疗、可控药物释放等[4-5]。
下面将简单介绍下双光子吸收材料在显微成像和光动力学治疗中的应用。
图3 双光子技术的应用双光子激光扫描共焦显微技术是结合双光子过程和扫描共聚焦显微成像系统的新型显微成像技术。
通常的单光子荧光显微成像是一个柱面，而双光子荧光显微成像是一个点，因而双光子荧光显微术具有其独特的优点：（1）只有焦点处汇集足以产生双光子吸收的光强度，因而可获得高的分辨率；（2）用比生物材料的本征吸收长一倍的近红外光进行激发，大大降低了样品的漂白和降解，提高了样品的存活率，甚至可以获得深层活组织的影像，这使得在活细胞中研究复杂的过程如DNA的复制成为可能；（3）由于瑞利散射产生的背景噪声只有单光子荧光时的1/16，图像对比度高；（4）激发光和信号光波长的差别显著，易于滤波探测；（5）用可见光区的光学元件，可获得紫外光区的衍射极限分辨率，降低了光学元件在紫外区的色散[6]。
用光动力作用治病的方法称为光动力疗法，全称为Photodynamci ThePary，缩称PDT。
光动力作用是指在敏化剂参与下，经光激发，可使有机体、细胞或生物分子发生机能及形态变化，严重的可致受伤或坏死。
而这个作用过程必须有氧参与，因此又称光敏氧化作用，化学上称光敏化作用。
2000年，P. N. Prasad等人在800nm下利用双光子材料转移能量给光敏剂然后产生单线态氧从而可以应用于光动力学治疗疾病, 这为高效的单线态氧双光子敏化剂的分子设计提供了新思路[7]。
2001年，丹麦科学家P. R. Ojilby 等人合成了两种有机环境下的双光子单线态氧发生剂，基于单线态氧磷光检测证实了双光子诱导产生单线态氧的方法具有深度贯穿性和高空间选择性的优点[8]。
通过红外强双光子激光光敏剂的光动力学治疗，波长800-1100nm的红外光能够深入病灶区，杀死隐藏的病变细胞，而双光子激发空间定位性高，可以保证了PDT用于切除肿瘤时，不会对体内正常组织造成损害。
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