近日，物理与光电工程学院生物医学光子学研究中心在国际知名期刊Advanced Functional Materials（影响因子18.5，中科院JCR一区，TOP期刊）和Analytical Chemistry（影响因子6.8，中科院JCR一区，TOP期刊）上发表高水平论文。

（1）题为“Near-infrared excitation/emission metal-free probe with frequency up-conversion for dual-modality imaging”的研究论文在Advanced Functional Materials上发表，并被列为“Hot Topic: Carbon, Graphite, and Graphene”热点领域。设计并制备了一种具有频率上转换，近红外激发和发射特性的探针用于多模态成像。中心博士后郭勇和扬州大学助理研究员李灏为该论文第一作者，深圳大学副教授严伟和苏州大学教授康振辉为该论文的通讯作者，深圳大学为第一完成单位和通讯作者单位。

在生物医学光子学领域，如何同步获取生物深层组织的结构与功能信息是当前研究的重点和难点。多模态成像技术凭借其跨尺度、多维度和可视化等优势，显著提升了成像的精准性，为生命科学研究和重大疾病诊疗提供了重要工具。其中，近红外波段（NIR，700-1700 nm）因其组织穿透深度大、散射系数低、自发荧光干扰小等特性，成为实现深层组织成像的关键光谱窗口。碳点（CDs）作为探针材料，具有原料丰富、合成简便、生物相容性好等突出优势，特别是基于NIR荧光的CDs在生物医学成像、光诊疗一体化及生物传感等领域展现出重要应用价值，为发展高性能多模态成像探针提供了新思路。

本研究通过元素掺杂与共轭结构调控，成功制备了具有频率上转换发光（FUCL）特性的氮掺杂碳点（N-CDs）。该N-CDs基于单光子吸收机制，在723 nm处呈现稳定近红外发射，兼具优异的光稳定性（光漂白抗性强）、高信噪比（自发荧光干扰低）及良好的生物相容性。其扩展的π共轭结构赋予了对核酸的特异性识别能力。基于自主搭建的多模态成像系统，N-CDs成功应用于：1）通过荧光强度成像实现植物细胞（洋葱根尖）有丝分裂过程的动态示踪和染色体形态学定性分析；2）通过荧光强度/寿命成像技术对哺乳动物组织（小鼠肾脏）进行双模态成像，可清晰区分近曲小管（PCT）等精细结构；3）利用荧光强度成像技术实现对在活体小鼠皮下血管成像和血液流速的测量。该研究为开发新一代多功能生物探针提供了重要理论基础，对推动生物医学成像和精准医学发展具有重要价值。

图1 N-CDs的生物成像

论文原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202502836

（2）题为“Fluorine-Nitrogen Codoped Carbon Dots for Visualization Imaging of Nucleic Acids via Two-Photon Fluorescence Lifetime Microscopy”的研究论文在Analytical Chemistry上发表。以2,4-二氟苯甲酸和甘氨酸为原料成功制备氟-氮共掺杂碳点（F-NCDs），以其为探针通过双光子荧光寿命显微镜对核酸进行可视化成像研究。郭勇为该论文的第一作者，严伟和李灏为该论文的通讯作者，深圳大学为第一完成单位和通讯作者单位。

可视化活细胞中核酸（DNA和RNA）的形态和动力学是了解它们在调节生物体生长、发育和繁殖中如何发挥作用的关键。然而，目前缺乏能够同时靶向DNA和RNA的有效探针，以及分析它们在生物体中的分布和相对比例的工具。因此，本研究成功制备一种具有双光子吸收的氟-氮共掺杂碳点（F-NCDs），该F-NCDs表现出稳定的荧光、良好的生物相容性和对核酸（DNA和RNA）敏感的荧光寿命。以F-NCDs为探针结合双光子荧光寿命成像技术（TP-FLIM）的多色成像能力来定量区分DNA和RNA在细胞核中的分布情况。该方法可以有效追踪不同分裂阶段植物细胞核（洋葱根尖）中DNA/RNA分布的变化和区分动物组织（斑马鱼）的细胞种类。

本研究采用基于F-NCDs的TP-FLIM技术，建立了两种互补的核酸分析方法。首先，a1/a2比率分析法通过DNA（a1）和RNA（a2）的荧光贡献比实现了高灵敏度定量检测。其次，相量图分析法通过荧光寿命特征有效分离了DNA和RNA信号，揭示了它们在细胞核内的空间分布特征。这两种方法相结合，成功实现了对植物细胞有丝分裂过程中核酸动态变化的实时监测，以及斑马鱼脑区特异性核酸分布的精确解析。实验结果表明，F-NCDs探针结合TP-FLIM技术为研究核酸在细胞生命活动中的时空动态调控提供了强有力的研究工具。

图2 基于F-NCDs的荧光寿命成像。

论文原文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.analchem.4c06843

以上研究得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、中国博士后基金项目、广东省基础与应用基础研究基金、广东省教育厅基金、深圳市科技计划项目和深圳大学医工交叉学科研究基金项目的支持。