超分辨光学成像（Super-resolution Optical Microscopy）技术打破了传统光学显微镜分辨率极限（又称衍射极限）的束缚，随之带来了生物学以及其他基础学科的重大突破。随机光学重建显微镜（STochastic Optical Reconstruction Microscopy，简称STORM）是超分辨显微镜中的一种核心技术。该技术通过强激光使荧光染料分子在特定溶液中不断随机地在“荧光态”和“非荧光态”间相互转化（photoswitching；光控转换），使得视场中的大多数荧光分子都以独立的艾里斑（Airy Disk）的形式出现。通过拟合每一个艾里斑的中心位置可以使单分子定位达到约10 nm的精度，从而实现超分辨成像。

设计和开发高性能STORM荧光染料是一个极具挑战性的难题。虽然基于红光（例如647 纳米）激发的传统染料分子表现优越，迄今为止基于其他波长激发的荧光染料的表现仍不尽如意，尚不能实现高效并持久的光控转换。

加州大学伯克利分校化学系Ke Xu教授课题组与生物科技公司Biotium合作报道一种实现高性能STORM染料的新思路。利用1,3-双取代咪唑鎓替代罗丹明类染料中的苯环，得到的新型荧光染料分子CF583R和CF597R实现了优异的绿光光控转换。1,3-双取代咪唑鎓带有固有正电荷，因此可促成染料分子捕获电子而进入非荧光态，进而实现光敏化。

因此，与现有基于绿光激发的STORM染料相比，在相同的条件下，这类新型荧光分子能更有效地进入非荧光状态，同时也能在紫外光源的照射下快速恢复到荧光态，并且在这整个过程中保持较低的净损失。单分子荧光表征进一步发现这类新型分子在荧光亮暗转换动力学，单个循环释放的光子数目，以及对激光的耐受力等方面都表现出优越性能。

基于以上优异的光控转换及单分子荧光性能，作者实现了高性能STORM成像，例如在560纳米激发下得到清晰的肌动蛋白（actin）细胞骨架超分辨图像。结合已有的基于红光激发的染料分子，作者进一步展示了高性能双色三维STORM超分辨成像。

综上，1,3-双取代咪唑鎓取代罗丹明开辟了一条实现高性能STORM染料的新思路。CF583R和CF597R这两款新型染料也为多色STORM成像提供了极大的便利。

论文信息：

Transforming Rhodamine Dyes for (d)STORM Super-Resolution Microscopy via 1,3-Disubstituted Imidazolium Substitution

Bowen Wang,Michael Xiong,Josephine Susanto,Xue Li,Wai-Yee Leung,Ke Xu

本文的第一和第二作者是加州大学伯克利分校化学系博士生Bowen Wang与本科生Michael Xiong。

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202113612