北京大学化学与分子工程学院张俊龙教授、陈兴教授与中国科学院化学研究所赵耀副研究员等在AngewandteChemie International Edition杂志上发表了题为“Bioorthogonal Lanthanide Molecular Probes for Near-Infrared Fluorescence and Mass Spectrometry Imaging”的研究论文，并被选为VIP（very important paper）论文。该工作报道了首例可生物正交的、高亮度的近红外（NIR）稀土配合物分子探针，通过代谢标记策略与点击化学反应，特异性地标记细胞中多种类型的生物大分子，实现了多色成像以及基于点击化学的膨胀显微成像（Click-ExM），并成功将NIR荧光成像和质谱成像联用，实现了亚细胞分辨率的双模态成像。

图1. 生物正交的稀土近红外分子探针对生物分子的特异性标记及成像示意图

近20年来，新型荧光显微成像技术帮助人们能够获取特定生物分子在时间和空间上的精细分布信息。其中，新型荧光探针在其中扮演着不可或缺的角色。近红外荧光成像（700–1700nm）因其高组织穿透能力、低背景荧光等诸多优点愈加受到关注。然而，常见的NIR荧光团，如碳纳米管、半导体聚合物、量子点和花菁类有机染料等生物相容性差或存在化学和光稳定性低或量子产率低等缺点。稀土配合物发光源自禁阻的f-f跃迁，并具有锐利且长荧光寿命的特征发射峰，有望成为新一代近红外探针。张俊龙课题组聚焦镱（Yb³⁺）配合物，发展了集NIR荧光成像和光动力疗法于一体的稀土探针（Chem. Soc. Rev., 2022, 51, 6177-6209）。但是，如何对细胞中生物分子进行特异性标记和成像仍具有挑战性。

图2. 生物正交的NIR稀土分子探针的化学合成路线

在本工作中，他们设计并合成了叠氮化或炔烃官能化的水溶性稀土（Yb，Er，Nd）配合物。通过点击化学反应，该类配合物可高效标记特定生物分子，同时NIR荧光在标记后显著提升。随后，将该类稀土分子探针与代谢标记策略结合，实现了对细胞中DNA、RNA、蛋白质和聚糖的NIR荧光成像。该类稀土分子探针适配于经典的荧光标记手段，如免疫荧光、商用化学探针标记等，验证了多色、多靶标荧光成像的“概念性”应用。与陈兴教授课题组近期开发的基于点击化学的膨胀显微成像（Click-ExM，Nat. Methods 2021, 18, 107-113），对细胞中唾液酸修饰的糖蛋白进行了高分辨的NIR荧光成像，进一步将ExM成像拓展到NIR窗口的可能性。

图3. 近红外膨胀显微成像（Click-ExM）标记唾液酸修饰糖蛋白

二次离子质谱（SIMS），包括NanoSIMS和ToF-SIMS，最近被广泛应用于植物、微生物和病理样品的分析与检测。然而生物大分子富含C、H、O、N等元素，缺乏特征片段或分子离子峰，SIMS应用于成像单细胞中特定生物大分子仍十分具有挑战性。相比而言，稀土元素的同位素选择范围广和在人体中自然丰度低等优点，在单细胞质谱成像领域具有独有的优势。因此，将该类稀土分子探针应用于细胞中DNA、RNA、蛋白质和聚糖的ToF-SIMS成像，实现NIR荧光成像和SIMS成像的结合，对细胞中新生DNA进行了双模态成像，展示了稀土在分子成像中的独特性。

图4. 细胞新生DNA的NIR和SIMS双模态成像

该工作中，张俊龙课题组博士生金国庆以及陈兴课题组2021届毕业生孙德恩博士为该文的共同第一作者，张俊龙、陈兴、赵耀为通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委、北京分子科学国家研究中心以及化学与精细化工广东省实验室等科研基金的资助。