荧光显微镜成像具有在复杂的细胞或组织中识别感兴趣的分子或结构的能力，因而在生命科学领域成为了重要的研究工具。由于光学衍射极限，传统的远场显微镜在可见光区能达到的最好的分辨率约为200纳米左右。然而细胞内的生物分子，如蛋白质、核酸、磷脂分子小于10纳米，因此使用传统的远场显微镜难以解析生物分子的空间细节，这阻碍了生命科学的发展。
近年来，多种超分辨显微术被开发，使得荧光成像的分辨率突破了200纳米。其中，单分子定位显微术实现了~10-20纳米的空间分辨率，极大地推动了生命科学的发展。单分子定位显微术实现超分辨成像的关键在于在时间域上分离密集的荧光分子以及超高的单分子定位精度（10纳米左右）。具体而言，该技术通过使用闪烁的荧光分子达到分离密集荧光分子的目的，进而可以在任意的时间域内捕获并定位单个分子，最后重构出超分辨图片。然而，当前使用的荧光分子或荧光蛋白的闪烁性能容易受到环境的影响，使得其应用范围有限，限制该技术的进一步发展。
马克斯普朗克高分子研究所Xiaomin Liu超分辨成像课题组、Mischa Bonn分子光谱所和冲绳科学技术大学院大学Akimitsu Narita有机与碳纳米材料课题组合作开发了一款新型的本征性（不受环境限制）自发闪烁的分子——纳米石墨烯，很好地克服了环境对分子闪烁性能的干扰。然而，众所周知，纳米石墨烯是疏水的，以及分子骨架不具备分子靶向性，因此不能直接用于生物成像。为了实现纳米石墨烯的生物应用，他们在纳米石墨烯的骨架上修饰亲水的和与生物相容的聚乙二醇基团，并测试了其在空气和不同pH值溶液中的闪烁性能。
图1. 纳米石墨烯的合成及其光学性能。图片来源：JACS
为了验证合成的纳米石墨烯的超分辨成像能力，他们进一步把纳米石墨烯和β-淀粉样蛋白共同孵育形成纤维，并通过单分子显微术实现了纳米石墨烯在空气中和不同pH值环境下的超分辨成像。
图2. 纳米石墨烯标记的β-淀粉样纤维在不同环境下的超分辨成像。图片来源：JACS
此外，亲水性的纳米石墨烯具有低的细胞毒性。他们通过细胞吞噬实验发现该纳米石墨烯能够特异性的聚集在细胞的溶酶体中。本征性闪烁纳米石墨烯的优势使得其能够实现在活细胞中对溶酶体的超分辨成像。
图3. 纳米石墨烯的活细胞超分辨成像。图片来源：JACS
最后，该团队合成了具有叠氮官能团修饰的水溶纳米石墨烯并用于神经元中的新合成的多肽和蛋白的标记和成像。他们通过单分子定位显微术发现，在神经元网络中，分叉点的新合成的多肽、蛋白的密度是高于轴突的，但是单个多肽、蛋白的尺寸接近。这些结果及技术将有助于生物学家理解神经元的发育。
图4. 叠氮官能团修饰的纳米石墨烯在神经元中的应用。图片来源：JACS
鉴于其优异的光学性能和可功能化，该纳米石墨烯基荧光染料有望广泛应用于生命科学和材料科学等领域，从而推动单分子定位显微术的发展。
这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，文章的第一作者是马克斯普朗克高分子研究所博士研究生朱兴富和陈强博士，以及冲绳科学技术大学院大学赵浩博士。
原文：
Intrinsic Burst-Blinking Nanographenes for Super-Resolution Bioimaging
Xingfu Zhu, Qiang Chen, Hao Zhao, Qiqi Yang, Goudappagouda, Márton Gelléri, Sandra Ritz, David Ng, Kaloian Koynov, Sapun H. Parekh, Venkatesh Kumar Chetty, Basant Kumar Thakur, Christoph Cremer, Katharina Landfester, Klaus Müllen, Marco Terenzio, Mischa Bonn*, Akimitsu Narita*, and Xiaomin Liu*
J. Am. Chem. Soc., 2024, DOI: 10.1021/jacs.3c11152
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