今天给大家分享一篇近期发表在ACS Nano上的研究进展，题为：Subcellular Targeted Nanohoop for One- and Two-Photon Live Cell Imaging。本文的第一作者是来自美国俄勒冈大学的Terri C. Lovell。

碳纳米管（Carbon nanotubes，CNTs）由于可在近红外区激发及光学特性可调等优点，在生物成像领域有着较大潜力，但是难以精确合成与功能化阻碍了其在生物成像方面的应用。碳纳米环是一种大环形式的CNT结构，在保持了纳米材料理想的光物理特性的同时，可以实现精确的分子级别合成，与传统荧光团相比有着显著的优势（图1）。作者制备了一种靶向溶酶体的碳纳米环，该碳纳米环细胞毒性较小，且通过内吞方式进入细胞。此外，作者将该碳纳米环用于双光子荧光成像，显示了高水平的双光子吸收截面和与商业探针相当的光稳定性。该工作对碳纳米环光物理及其生物成像应用研究有启发意义。

图1. 目前常见荧光团与探纳米环荧光团。

本文作者试图解决碳纳米环应用于生物成像的三个关键挑战：设计更简洁更高产率的合成策略，确定纳米环细胞摄取的机制，实现碳纳米环的近红外区双光子激发。

首先，作者设计了一种通用的合成策略，使得碳纳米环可以被可溶性基团和靶向基团功能化。作者选择了相对易于合成且有明亮发射的meta[6]CPP（cycloparaphenylenes）作为合成目标，即图1b中所示结构。作者使用双硼酸盐与二氯化物偶联，脱去硅基保护并温和芳化制备了带有末端炔烃的meta[6]CPP，通过点击反应，制备了溶酶体靶向的吗啉末端meta[6]CPP-6与非靶向性的meta[6]CPP-7，如图2所示。meta[6]CPP-6的吗啉末端可以在酸性条件下被质子化，从而滞留在溶酶体内，实现靶向功能。尽管meta[6]CPP-6与meta[6]CPP-7的量子产率较低，但仍然具有良好的成像效果，作者推测这可能是由于其弯曲的分子结构防止了π-π堆积造成的荧光自淬灭的产生，并通过实验验证了这一假设。另外，聚芳烃染料常因为插入DNA产生毒性，非平面的结构也使得其DNA毒性降低。

共聚焦显微结果显示，meta[6]CPP-6对溶酶体有靶向性，与设计相符（图3）。对于该碳纳米环的细胞摄取方式，作者通过对不同温度下Hela细胞内碳纳米环含量研究发现，其摄取量与环境温度密切相关；添加各种细胞内吞抑制剂都使碳纳米环的摄取量下降（图4），这进一步说明了碳纳米环的细胞内吞摄取方式，但具体机理仍需进一步探究。

图3. 共聚焦显微显示碳纳米环的溶酶体靶向作用。

图4.细胞内吞抑制剂对摄取量的影响。

在解决了前两个问题后，作者探究了碳纳米环双光子荧光的可能性，使用705-805 nm波长的近红外光进行激发，发现了720 nm与760 nm处两个双光子荧光发射峰，如图5所示。在720 nm处，meta[6]CPP-6的荧光吸收截面与罗丹明6 G相当，是合格的荧光团，并且可通过对其进一步的修饰提高分子偶极矩，实现更优越的荧光效果。

图5. 近红外双光子荧光发射光谱与成像结果。

总的来说，该工作合成的碳纳米环荧光团克服了传统荧光团毒性大，难以精确合成等缺点，并实现了良好的成像效果。碳纳米环独特的弯曲立体结构有希望作为多模态成像探针的支架，在生物领域有着令人期待的前景。