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功能染料研究：方興未艾，未來(lái)可期

相關(guān)專(zhuān)題：資訊頻道紡織名人發(fā)布時(shí)間：2020-02-09

資訊導讀：自古以來(lái)，人類(lèi)對顏色一直保持著(zhù)癡迷的追求，對顏色的運用伴隨著(zhù)人類(lèi)的整個(gè)發(fā)展歷程。作為顏色的載體，染料隨著(zhù)人類(lèi)文明進(jìn)步不斷發(fā)展，染料學(xué)也成為科研與應用聯(lián)系緊密的學(xué)科。在染料學(xué)中，與“傳統染料”相對的一個(gè)名詞是“功能染料”。 “功能染料”是針對染料潛在性能的一些前沿應用，包括熒光燈、熒光成像、膠片增感、光電材料、太陽(yáng)能電池、醫藥研究等。

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華東理工大學(xué)藥學(xué)院楊有軍教授

　　【前言】

　　自古以來(lái)，人類(lèi)對顏色一直保持著(zhù)癡迷的追求，對顏色的運用伴隨著(zhù)人類(lèi)的整個(gè)發(fā)展歷程。作為顏色的載體，染料隨著(zhù)人類(lèi)文明進(jìn)步不斷發(fā)展，染料學(xué)也成為科研與應用聯(lián)系緊密的學(xué)科。在染料學(xué)中，與“傳統染料”相對的一個(gè)名詞是“功能染料”。 “功能染料”是針對染料潛在性能的一些前沿應用，包括熒光燈、熒光成像、膠片增感、光電材料、太陽(yáng)能電池、醫藥研究等。

　　華東理工大學(xué)藥學(xué)院楊有軍教授的主要工作就與“功能染料”有關(guān)。楊老師的主要研究方向是面向生物醫學(xué)領(lǐng)域應用的功能染料開(kāi)發(fā)，他的一些研究工作發(fā)表在《Nat. Commun.》，《PNAS》，《JACS》，《Angew》，《Chem. Sci.》，《Org. Lett.》，《Anal. Chem.》，《Chem. Comm.》等本領(lǐng)域較高影響學(xué)術(shù)期刊上，部分工作還曾被ACS旗下C&EN News以及《科學(xué)》子刊《Sci. Transl. Med.》等報道。

　　近日，儀器信息網(wǎng)有幸走進(jìn)楊有軍教授實(shí)驗室，請其分享了染料學(xué)的五彩發(fā)展歷史、功能染料研究狀況及其在生物醫學(xué)中的應用，以及結合自己的研究歷程細談該領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)等。

　　染料學(xué)科的應用與發(fā)展：人類(lèi)對顏色的癡迷追求

　　最早的自然染料為無(wú)機染料，從新石器時(shí)代開(kāi)始便已得到廣泛應用。以中國出土的大量新時(shí)期時(shí)代陶器為例，這些陶瓷上的紅、藍、黃等色彩，使用的就是無(wú)機染料褐鐵礦、赤鐵礦等。

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　　國內部分早期無(wú)機顏料應用

　　商朝甲骨文、秦兵馬俑、古人字畫(huà)、唐三彩、元朝青花瓷等也都使用了朱砂、漢紫、漢藍、炭黑、鈷、銅、鐵、鈷鹽等無(wú)機顏料。

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　　國外部分早期無(wú)機顏料應用

　　采訪(fǎng)中楊有軍老師還分享了一則國外早期無(wú)機顏料的故事，頗為有趣。文藝復興時(shí)期，畫(huà)家常用一種由青金石制作的藍色顏料。但由于青金石主要產(chǎn)自阿富汗山區，開(kāi)采不易，且離歐洲路途遙遠，因此這種藍色顏料非常稀缺。米開(kāi)朗琪羅的知名畫(huà)作“埋葬”，之所以右下角缺失圣母瑪利亞的人物像，就是由于當時(shí)他缺少青金石顏料來(lái)繪制圣母瑪利亞的藍色外套。為了解決這種稀缺問(wèn)題，1704年，迪斯巴赫引入鐵氰化鉀與氯化鐵處理成藍色顏料(普魯士藍)，雖然色調與青金石相比較暗，但至少為畫(huà)家們提供了可穩定供應的藍色顏料，梵高在其畫(huà)作 “星空”中就大量使用了這種顏料。直到1826年，青金石實(shí)現人工合成，這才徹底解決了畫(huà)家對這種高品質(zhì)藍色顏料的需求。

　　可惜無(wú)機顏料無(wú)法給服裝著(zhù)色。在生產(chǎn)實(shí)踐中人類(lèi)逐漸學(xué)會(huì )了從天然植物中提取出有機染料給衣物上色，比如著(zhù)名的骨螺紫和靛藍等染料。瑪雅人還把靛藍和當地的一種土混在一起，制作出瑪雅藍。

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　　2006年，美國電影《啟示錄》片段中，瑪雅人抓到敵人后會(huì )在其身上涂一層瑪雅藍。

　　1856年的英國，18歲的威廉·鉑金在嘗試合成奎寧的實(shí)驗中偶然合成了一種紫色的染料——苯胺紫，并在很短的時(shí)間內將其產(chǎn)業(yè)化。這是第一個(gè)實(shí)現商業(yè)化的人工合成染料，標志著(zhù)人類(lèi)開(kāi)始進(jìn)入合成染料時(shí)代。

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　　威廉·鉑金與其發(fā)明的苯胺紫染料

　　但是無(wú)論是無(wú)機染料、有機染料，亦或是合成染料，人們主要利用其能吸收光并產(chǎn)生顏色這一性質(zhì)拓展染料應用，我們稱(chēng)為傳統染料。隨著(zhù)科技的發(fā)展，人們發(fā)現染料吸收光后會(huì )進(jìn)入高能態(tài)，高能態(tài)下染料又可以通過(guò)發(fā)光或發(fā)熱的方式釋放、傳遞能量。基于這個(gè)性質(zhì)，染料的功能也得以突破，并進(jìn)一步產(chǎn)生了很多新技術(shù)及應用，比如熒光增白、生物成像、光熱治療、光動(dòng)力治療、太陽(yáng)能電池、有機光催化反應等，這就是我們常說(shuō)的功能染料了。傳統染料和功能染料的區別也在于此。

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　　傳統染料及功能染料的應用領(lǐng)域

　　功能染料研究：多學(xué)科的交叉合作

　　目前，楊有軍課題組主要聚焦高性能功能染料的設計開(kāi)發(fā)，主要研究方向涉及熒光染料的化學(xué)合成、光譜測試分析、生物顯微成像以及生物醫學(xué)應用研究。多學(xué)科交織的背后，離不開(kāi)研究過(guò)程中的“跨界”合作。

　　研究生期間，楊有軍合成其第一個(gè)長(cháng)波長(cháng)的染料，在手提式紫外燈照射下，可以看到紅色熒光。但當時(shí)所在實(shí)驗室沒(méi)有熒光儀，于是，導師Robert M. Strongin教授聯(lián)系了光譜分析方向的Isiah Warner教授進(jìn)行合作。后續兩年的合作研究，讓楊有軍對熒光光譜領(lǐng)域有了深入系統的了解。

　　博士畢業(yè)后，楊有軍在德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校Anslyn教授課題組進(jìn)行了三年博士后研究。期間，楊有軍開(kāi)發(fā)小分子熒光探針，并與同校生物學(xué)課題組合作，利用探針檢測細胞內的一氧化氮。此外楊有軍還和底特律亨利福特醫院腎科醫生合作開(kāi)發(fā)一臺設備，用于監控血液透析過(guò)程。當患者在血液透析過(guò)程中有凝血或者內出血風(fēng)險時(shí)，機器會(huì )發(fā)出預警。這兩次合作讓他有機會(huì )跳出化學(xué)的思維方式，站在應用的角度去思考問(wèn)題。

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楊有軍辦公室的寫(xiě)字板一角，平時(shí)有思路了會(huì )在上面寫(xiě)寫(xiě)畫(huà)畫(huà)

　　楊有軍回顧道，無(wú)論是小分子熒光探針還是檢測設備，Anslyn教授在完成化學(xué)基礎研究后，一定會(huì )盡力將其推進(jìn)到下游具體的應用中去，這個(gè)過(guò)程極大地加強了自己的應用轉化意識。同時(shí)，來(lái)自下游應用領(lǐng)域的反饋意見(jiàn)又有助于進(jìn)一步發(fā)現問(wèn)題、改進(jìn)問(wèn)題，對于自己課題組后來(lái)的研究思路的形成有著(zhù)非常大的幫助。

　　功能染料應用：在藥學(xué)中既傳統又前沿

　　關(guān)于傳統：染料與藥學(xué)的淵源

　　關(guān)于藥學(xué)與熒光染料的關(guān)系，淵源很深。楊有軍介紹道，古埃及時(shí)期，人們用黃芩汁液涂在身體上，然后通過(guò)曬太陽(yáng)來(lái)治療一些皮膚病。16世紀，西班牙人到南美印加后，發(fā)現當地人用一種紫檀木泡水喝，可以治腎病。再往后，也是西方航海家從南亞爪哇發(fā)現當地人用金雞納樹(shù)樹(shù)皮泡水喝，用來(lái)治瘧疾。有趣的是，黃芩、紫檀木以及金雞納樹(shù)里的活性化合物都是熒光染料。

　　人類(lèi)首次合成染料后，很多先行者嘗試把各種各樣的染料用在生物研究和疾病治療中。比如說(shuō)，華爾瑟·弗萊明利用陽(yáng)離子染料對細胞進(jìn)行染色，發(fā)現了染色質(zhì)，保羅·埃爾利希則發(fā)現了具有抗梅毒病原體的藥物等。

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辦公室一角，學(xué)生對楊有軍老師的溫馨祝福

　　隨著(zhù)研究與應用的不斷發(fā)展，現在熒光染料在藥學(xué)中的應用也更加廣泛，比如在生物醫學(xué)基礎研究方面，可以幫助生物學(xué)家、藥理學(xué)家更好的觀(guān)察和研究生命過(guò)程;在構建藥物篩選模型時(shí)，可以輔助活性化合物的發(fā)現;在手術(shù)切除過(guò)程中，熒光染料可以充當導航;在臨床上，利用染料的光熱或者光敏作用可以對疾病進(jìn)行治療等。

　　關(guān)于前沿：熒光染料領(lǐng)域研究方興未艾

　　“方興未艾!”楊有軍對于我國熒光染料領(lǐng)域研究現狀總結道，“目前國內外領(lǐng)域競爭非常激烈。國外起步相對更早，到現在局部領(lǐng)域仍然領(lǐng)先;與此同時(shí)國內科研投入也在逐步加大，科研平臺和團隊建設都非常好。我國在本領(lǐng)域不落下風(fēng)，在很多細分方向甚至較國外同行更好。”

　　楊有軍所在團隊——華東理工大學(xué)藥學(xué)院藥物化工研究所錢(qián)旭紅院士團隊，是我國在這方面起步最早的團隊之一。該團隊在重金屬離子、生物氧化還原以及其它很多疾病相關(guān)底物的檢測方面做出很多優(yōu)秀的研究成果。近幾年，還在紅外熒光染料、光激活型熒光染料、以及生物活性熒光染料等多個(gè)方面取得突破。除錢(qián)旭紅院士團隊外，國內優(yōu)秀的研究團隊還有很多，包括華東理工大學(xué)田禾院士團隊、大連理工大學(xué)彭孝軍院士團隊、南京大學(xué)郭子健院士團隊、理化所汪鵬飛所長(cháng)團隊、山東師范大學(xué)唐波教授團隊、陜西師范房喻教授團隊、化學(xué)所張德清所長(cháng)團隊、王樹(shù)研究院?jiǎn)T團隊、馬會(huì )民研究員團隊等等。這些年國內還涌現出更多年輕的團隊。

　　功能染料研究與儀器設備：互為上下游，相輔相成

　　功能染料研究離不開(kāi)的檢測技術(shù)

　　檢測儀器是功能染料的研究關(guān)鍵。楊有軍團隊的學(xué)生在日常的工作中會(huì )大量使用紫外可見(jiàn)吸收光譜儀、熒光光譜儀，電子順磁自旋光譜，對所合成的功能染料進(jìn)行穩態(tài)的光譜性質(zhì)表征，進(jìn)一步利用瞬態(tài)光譜技術(shù)，研究染料的激發(fā)態(tài)動(dòng)力學(xué)，再結合各類(lèi)熒光顯微成像設備驗證這些功能熒光染料在不同生物模型的應用前景。楊有軍表示，“其中，熒光顯微成像技術(shù)與熒光光譜技術(shù)一脈相承，都是觀(guān)察染料從發(fā)光激發(fā)態(tài)到基態(tài)的過(guò)程，從技術(shù)原理講是一樣的。二者區別在于檢測的樣本和目的不一樣。熒光光譜目的是測量一個(gè)均勻溶液的熒光發(fā)射，更多關(guān)注染料在不同波長(cháng)的熒光發(fā)射強度;而熒光顯微成像的目的是觀(guān)測一個(gè)生物樣本在二維(/三維)空間尺度或者時(shí)間尺度上熒光強度的變化，進(jìn)一步結合染料性質(zhì)，對染料所處的微環(huán)境進(jìn)行分析。”

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HORIBA模塊化熒光光譜儀 QuantaMaster 8000

　　在楊有軍實(shí)驗室裝備了一臺模塊化熒光光譜儀(QuantaMaster 8000)，該儀器檢測靈敏度高、可進(jìn)一步靈活配置各類(lèi)檢測器，還可以通過(guò)設置宏來(lái)極大地簡(jiǎn)化重復性試驗數據的采集，有效提高研究工作的效率和準確性。

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楊有軍設計制作的柜子，用來(lái)存放實(shí)驗室各類(lèi)耗材

　　除了應用商業(yè)化的儀器設備，楊有軍團隊也進(jìn)行了一些特殊設備的搭建或儀器技術(shù)的開(kāi)發(fā)。比如實(shí)驗室自己搭建了光化學(xué)反應器和光譜電化學(xué)設備。

　　楊有軍補充道，團隊工作的開(kāi)展離不開(kāi)領(lǐng)域學(xué)者的大力幫助，譬如，在抗菌篩選方面是與上海交通大學(xué)陳代杰教授合作開(kāi)展的，超快光譜實(shí)驗則是與華東師范大學(xué)陳縉泉教授合作開(kāi)展的，光激活染料的定位超分辨成像研究與大連理工大學(xué)肖義教授和大連化物所徐兆超研究員合作開(kāi)展的，單分子熒光、雙光子成像分別是與清華大學(xué)陳春來(lái)教授、安徽大學(xué)孟祥明教授合作開(kāi)展的。南京醫科大學(xué)韓峰教授、東南大學(xué)吳富根教授、南京工業(yè)大學(xué)陳宇輝教授、昆士蘭大學(xué)梁曉雯教授也都給與了極大的支持。

　　熒光染料/藥學(xué)研究對儀器設備的需求與展望

　　設備與科研是相輔相成的，新技術(shù)、新儀器的出現對于一個(gè)研究領(lǐng)域的推動(dòng)也是巨大的，而領(lǐng)域的發(fā)展又可以進(jìn)一步促進(jìn)設備的更新?lián)Q代。

　　楊有軍表示，熒光染料在生物醫學(xué)領(lǐng)域的應用非常廣泛，研究前景非常可期。與此相對應，過(guò)去只有專(zhuān)業(yè)分析實(shí)驗室才配備的熒光光譜儀，現在已經(jīng)成為幾乎所有儀器平臺或者科研團隊的標準配置，極大促進(jìn)了熒光分子探針領(lǐng)域的發(fā)展。探針在生物醫學(xué)領(lǐng)域的廣泛應用又大大的推動(dòng)了成像技術(shù)的發(fā)展，譬如，十年前的研究以寬場(chǎng)熒光顯微鏡為主，現在各類(lèi)共聚焦、超分辨熒光顯微鏡正逐漸成為主流。相信在將來(lái)，熒光以及成像設備還有更廣闊的發(fā)展空間。

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錢(qián)旭紅院士、徐玉芳教授和楊有軍課題組成員合影

來(lái)源：儀器信息網(wǎng)

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