在生命體系中，對生物分子進(jìn)行原位且納米尺度的動態(tài)監(jiān)測，有助于揭示生命過程的復(fù)雜動態(tài)。然而，傳統(tǒng)的熒光分子探針（如染料和熒光蛋白）往往因亮度不足和光穩(wěn)定性差，難以滿足高時空分辨率下追蹤單個生物分子的需求；而明亮且穩(wěn)定的熒光納米顆粒，又因其相對較大的尺寸（>10 nm）及復(fù)雜不可控的表面修飾，難以實現(xiàn)較高密度的特異性標(biāo)記且容易對所標(biāo)記的生物分子的生理行為造成干擾。因此，研制既明亮又光穩(wěn)定、同時尺寸足夠小以避免干擾生物分子生理行為的熒光探針，仍是該領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問題。

近日，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所前沿交叉研究中心王健君研究員團(tuán)隊聯(lián)合中國科學(xué)院杭州醫(yī)學(xué)研究所方曉紅研究員團(tuán)隊，在深入揭示冰晶成核與生長機(jī)制的基礎(chǔ)上（Nature 2019, 576, 437–441; Sci. China Chem., 2019, 62: 909–915），發(fā)明冷凍組裝策略（Ostwald Ripening Induced Nanoparticles, ORIN; Nat. Commun. 2017, 8, 15154; ACS Nano 2017, 11, 10, 9898–9905; Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 15141-15146; Nano Lett. 2023, 23, 1030-1035; Sci. China. Chem. 2023, 66, 878-886; J. Am. Chem. Soc. 2025,147,12730-12739），將單條有機(jī)熒光聚合物鏈制備成尺寸＜5 nm的單鏈超小熒光聚合物納米點（suPdots）。這些suPdots組成明確、表面易修飾、熒光發(fā)射可調(diào)、高亮度和優(yōu)異光穩(wěn)定性，為先進(jìn)熒光顯微成像提供了一類強(qiáng)大的探針工具。

在性能設(shè)計與功能優(yōu)化上，suPdots展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢：其一，探針選材兼顧實用性與多樣性，選用可商業(yè)化獲取的共軛聚合物鏈，且熒光光譜覆蓋全光譜范圍，滿足不同場景的成像需求；其二，光物理特性優(yōu)異，單顆粒亮度約為綠色熒光蛋白（EGFP）的15倍，且不同結(jié)構(gòu)的熒光聚合物鏈可呈現(xiàn)差異化單顆粒光學(xué)行為（如On-Off閃爍、穩(wěn)定熒光發(fā)射），能根據(jù)具體成像應(yīng)用需求靈活選取與調(diào)控；其三，表面修飾精準(zhǔn)可控，通過對單鏈聚合物進(jìn)行特定官能團(tuán)修飾，可實現(xiàn)suPdots的定量靶向修飾—將其與抗體偶聯(lián)后，能夠?qū)Χ喾N亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行高特異性、高密度標(biāo)記。在實際應(yīng)用中，suPdots的性能優(yōu)勢進(jìn)一步凸顯：借助受激輻射損耗（STED）超分辨熒光顯微成像技術(shù)，該探針成功揭示了網(wǎng)格蛋白包被內(nèi)凹小體的中空環(huán)狀結(jié)構(gòu)；更重要的是，依托suPdots的高亮度與超小尺寸優(yōu)勢，研究團(tuán)隊使用常規(guī)轉(zhuǎn)盤共聚焦熒光顯微鏡，以50赫茲的時間分辨率和約8納米的定位精度，清晰解析了單個驅(qū)動蛋白在活細(xì)胞內(nèi)的運動步長。這一突破克服了此前研究對復(fù)雜且昂貴的MINFLUX超分辨成像儀器的依賴，充分彰顯了suPdots在推動納米尺度單分子水平生物分子研究中的巨大潛力。

該成果以Research Article的形式發(fā)表在Nature Photonics雜志上，第一作者為中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所特別研究助理楊宏偉博士和閆澤泉博士，文章的通訊作者為中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所所王健君研究員和范慶瑞副研究員及中國科學(xué)院杭州醫(yī)學(xué)研究所方曉紅研究員與蔣逸飛研究員。蔣逸飛研究員、劉曉龍博士和劉維鳳博士在儀器及成像數(shù)據(jù)分析方面提供了重要幫助。同時，北京大學(xué)陳良怡教授在Hessian-SIM成像方面給予了幫助。這項工作得到了國家自然科學(xué)基金委重大項目及面上項目、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項B類、國家重點研發(fā)計劃、浙江省“尖兵”“領(lǐng)雁”研發(fā)計劃以及理化所所長基金等項目的資助。

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41566-025-01767-1

玻璃化冷凍制備suPdots

單鏈suPdots的表征

suPdots的光物理特性

suPdots的特異性標(biāo)記及STED成像

納米分辨追蹤活細(xì)胞中單個驅(qū)動蛋白