【前言】

自古以來(lái)，人類對(duì)顏色一直保持著癡迷的追求，對(duì)顏色的運(yùn)用伴隨著人類的整個(gè)發(fā)展歷程。作為顏色的載體，染料隨著人類文明進(jìn)步不斷發(fā)展，染料學(xué)也成為科研與應(yīng)用聯(lián)系緊密的學(xué)科。在染料學(xué)中，與“傳統(tǒng)染料”相對(duì)的一個(gè)名詞是“功能染料”。 “功能染料”是針對(duì)染料潛在性能的一些前沿應(yīng)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(yī)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(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)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(bào)道。

近日，91儀器信息網(wǎng)有幸走進(jìn)楊有軍教授實(shí)驗(yàn)室，請(qǐng)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(yī)學(xué)中的應(yīng)用，以及結(jié)合自己的研究歷程細(xì)談該領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)等。

華東理工大學(xué)藥學(xué)院楊有軍教授

染料學(xué)科的應(yīng)用與發(fā)展：人類對(duì)顏色的癡迷追求

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

國(guó)內(nèi)部分早期無(wú)機(jī)顏料應(yīng)用

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

國(guó)外部分早期無(wú)機(jī)顏料應(yīng)用

采訪中楊有軍老師還分享了一則國(guó)外早期無(wú)機(jī)顏料的故事，頗為有趣。文藝復(fù)興時(shí)期，畫家常用一種由青金石制作的藍(lán)色顏料。但由于青金石主要產(chǎn)自阿富汗山區(qū)，開(kāi)采不易，且離歐洲路途遙遠(yuǎn)，因此這種藍(lán)色顏料非常稀缺。米開(kāi)朗琪羅的知名畫作“埋葬”，之所以右下角缺失圣母瑪利亞的人物像，就是由于當(dāng)時(shí)他缺少青金石顏料來(lái)繪制圣母瑪利亞的藍(lán)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(lán)色顏料(普魯士藍(lán))，雖然色調(diào)與青金石相比較暗，但至少為畫家們提供了可穩(wěn)定供應(yīng)的藍(lán)色顏料，梵高在其畫作 “星空”中就大量使用了這種顏料。直到1826年，青金石實(shí)現(xiàn)人工合成，這才徹底解決了畫家對(duì)這種高品質(zhì)藍(lán)色顏料的需求。

可惜無(wú)機(jī)顏料無(wú)法給服裝著色。在生產(chǎn)實(shí)踐中人類逐漸學(xué)會(huì)了從天然植物中提取出有機(jī)染料給衣物上色，比如著名的骨螺紫和靛藍(lán)等染料?，斞湃诉€把靛藍(lán)和當(dāng)?shù)氐囊环N土混在一起，制作出瑪雅藍(lán)。

2006年，美國(guó)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(lán)。

1856年的英國(guó)，18歲的威廉·鉑金在嘗試合成奎寧的實(shí)驗(yàn)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(nèi)將其產(chǎn)業(yè)化。這是第一個(gè)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的人工合成染料，標(biāo)志著人類開(kāi)始進(jìn)入合成染料時(shí)代。

威廉·鉑金與其發(fā)明的苯胺紫染料

但是無(wú)論是無(wú)機(jī)染料、有機(jī)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(yīng)用，我們稱為傳統(tǒng)染料。隨著科技的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)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?；谶@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(yīng)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(jī)光催化反應(yīng)等，這就是我們常說(shuō)的功能染料了。傳統(tǒng)染料和功能染料的區(qū)別也在于此。

傳統(tǒng)染料及功能染料的應(yīng)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(shè)計(jì)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(cè)試分析、生物顯微成像以及生物醫(yī)學(xué)應(yīng)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(zhǎng)波長(zhǎng)的染料，在手提式紫外燈照射下，可以看到紅色熒光。但當(dāng)時(shí)所在實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有熒光儀，于是，導(dǎo)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(xù)兩年的合作研究，讓楊有軍對(duì)熒光光譜領(lǐng)域有了深入系統(tǒng)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(cè)細(xì)胞內(nèi)的一氧化氮。此外楊有軍還和底特律亨利福特醫(yī)院腎科醫(yī)生合作開(kāi)發(fā)一臺(tái)設(shè)備，用于監(jiān)控血液透析過(guò)程。當(dāng)患者在血液透析過(guò)程中有凝血或者內(nèi)出血風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，機(jī)器會(huì)發(fā)出預(yù)警。這兩次合作讓他有機(jī)會(huì)跳出化學(xué)的思維方式，站在應(yīng)用的角度去思考問(wèn)題。

楊有軍辦公室的寫字板一角，平時(shí)有思路了會(huì)在上面寫寫畫畫

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

功能染料應(yīng)用：在藥學(xué)中既傳統(tǒng)又前沿

關(guān)于傳統(tǒng)：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(jì)，西班牙人到南美印加后，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)厝擞靡环N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(xiàn)當(dāng)?shù)厝擞媒痣u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(duì)細(xì)胞進(jìn)行染色，發(fā)現(xiàn)了染色質(zhì)，保羅·埃爾利希則發(fā)現(xiàn)了具有抗梅毒病原體的藥物等。

辦公室一角，學(xué)生對(duì)楊有軍老師的溫馨祝福

隨著研究與應(yīng)用的不斷發(fā)展，現(xiàn)在熒光染料在藥學(xué)中的應(yīng)用也更加廣泛，比如在生物醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究方面，可以幫助生物學(xué)家、藥理學(xué)家更好的觀察和研究生命過(guò)程;在構(gòu)建藥物篩選模型時(shí)，可以輔助活性化合物的發(fā)現(xiàn);在手術(shù)切除過(guò)程中，熒光染料可以充當(dāng)導(dǎo)航;在臨床上，利用染料的光熱或者光敏作用可以對(duì)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(duì)于我國(guó)熒光染料領(lǐng)域研究現(xiàn)狀總結(jié)道，“目前國(guó)內(nèi)外領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)非常激烈。國(guó)外起步相對(duì)更早，到現(xiàn)在局部領(lǐng)域仍然領(lǐng)先;與此同時(shí)國(guó)內(nèi)科研投入也在逐步加大，科研平臺(tái)和團(tuán)隊(duì)建設(shè)都非常好。我國(guó)在本領(lǐng)域不落下風(fēng)，在很多細(xì)分方向甚至較國(guó)外同行更好?！?/p>

楊有軍所在團(tuán)隊(duì)——華東理工大學(xué)藥學(xué)院藥物化工研究所錢旭紅院士團(tuán)隊(duì)，是我國(guó)在這方面起步最早的團(tuán)隊(duì)之一。該團(tuán)隊(duì)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(cè)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。除錢旭紅院士團(tuán)隊(duì)外，國(guó)內(nèi)優(yōu)秀的研究團(tuán)隊(duì)還有很多，包括華東理工大學(xué)田禾院士團(tuán)隊(duì)、大連理工大學(xué)彭孝軍院士團(tuán)隊(duì)、南京大學(xué)郭子健院士團(tuán)隊(duì)、理化所汪鵬飛所長(zhǎng)團(tuán)隊(duì)、山東師范大學(xué)唐波教授團(tuán)隊(duì)、陜西師范房喻教授團(tuán)隊(duì)、化學(xué)所張德清所長(zhǎng)團(tuán)隊(duì)、王樹(shù)研究院?jiǎn)T團(tuán)隊(duì)、馬會(huì)民研究員團(tuán)隊(duì)等等。這些年國(guó)內(nèi)還涌現(xiàn)出更多年輕的團(tuán)隊(duì)。

功能染料研究與儀器設(shè)備：互為上下游，相輔相成

功能染料研究離不開(kāi)的檢測(cè)技術(shù)

檢測(cè)儀器是功能染料的研究關(guān)鍵。楊有軍團(tuán)隊(duì)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(duì)所合成的功能染料進(jìn)行穩(wěn)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(jié)合各類熒光顯微成像設(shè)備驗(yàn)證這些功能熒光染料在不同生物模型的應(yīng)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(qū)別在于檢測(cè)的樣本和目的不一樣。熒光光譜目的是測(cè)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(zhǎng)的熒光發(fā)射強(qiáng)度;而熒光顯微成像的目的是觀測(cè)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(qiáng)度的變化，進(jìn)一步結(jié)合染料性質(zhì)，對(duì)染料所處的微環(huán)境進(jìn)行分析。”

HORIBA模塊化熒光光譜儀 QuantaMaster 8000

在楊有軍實(shí)驗(yàn)室裝備了一臺(tái)模塊化熒光光譜儀(QuantaMaster 8000)，該儀器檢測(cè)靈敏度高、可進(jìn)一步靈活配置各類檢測(cè)器，還可以通過(guò)設(shè)置宏來(lái)極大地簡(jiǎn)化重復(fù)性試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集，有效提高研究工作的效率和準(zhǔn)確性。

楊有軍設(shè)計(jì)制作的柜子，用來(lái)存放實(shí)驗(yàn)室各類耗材

除了應(yīng)用商業(yè)化的儀器設(shè)備，楊有軍團(tuán)隊(duì)也進(jìn)行了一些特殊設(shè)備的搭建或儀器技術(shù)的開(kāi)發(fā)。比如實(shí)驗(yàn)室自己搭建了光化學(xué)反應(yīng)器和光譜電化學(xué)設(shè)備。

楊有軍補(bǔ)充道，團(tuán)隊(duì)工作的開(kāi)展離不開(kāi)領(lǐng)域?qū)W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(yàn)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(yī)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(duì)儀器設(shè)備的需求與展望

設(shè)備與科研是相輔相成的，新技術(shù)、新儀器的出現(xiàn)對(duì)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(shè)備的更新?lián)Q代。

楊有軍表示，熒光染料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，研究前景非?？善凇Ｅc此相對(duì)應(yīng)，過(guò)去只有專業(yè)分析實(shí)驗(yàn)室才配備的熒光光譜儀，現(xiàn)在已經(jīng)成為幾乎所有儀器平臺(tái)或者科研團(tuán)隊(duì)的標(biāo)準(zhǔn)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(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)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(xiàn)在各類共聚焦、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(shè)備還有更廣闊的發(fā)展空間。

錢旭紅院士、徐玉芳教授和楊有軍課題組成員合影