尺寸可调的PEG化NIR-II荧光探针：实现高对比度植物成像及烟草花叶病毒检测的创新研究

本研究针对植物荧光成像中存在的强自发荧光（叶绿素）和组织光散射导致信背比（SBR）低的难题，开发了基于PEG工程化策略的NIR-II（1000-1900 nm）荧光探针SYH1-SYH3（60-170 nm）。通过调控探针尺寸，发现60 nm的SYH3在植物叶片中具有最优传输效率，实现叶脉成像SBR达18.6，并成功应用于烟草花叶病毒（TMV）感染的早期诊断。该研究为植物病原体无创检测提供了新型NIR-II成像工具。

　　

植物科学中的荧光成像长期面临两大技术瓶颈：叶绿素强自发荧光干扰和植物组织光散射效应，导致传统可见光/NIR-I（400-900 nm）成像信背比（SBR）低下。尽管PCR、ELISA等病原检测方法存在，但其操作复杂且易受环境干扰。近年来，第二近红外窗口（NIR-II）成像因组织穿透深、背景干扰低等优势在生物医学领域大放异彩，但在植物科学中的应用仍属空白。这一技术鸿沟的核心在于缺乏适配植物特殊生理结构（如细胞壁屏障和选择性维管运输系统）的专用探针。

华中师范大学绿色农药全国重点实验室联合贵州大学的研究团队在《Journal of Nanobiotechnology》发表突破性研究。该团队创新性地采用PEG（聚乙二醇）工程化策略，以D-A-D（供体-受体-供体）骨架荧光染料CCNU1020为平台，通过调控PEG链长度（x=3,10,16）构建了三种自组装纳米探针SYH1（170 nm）、SYH2（80 nm）和SYH3（60 nm）。研究发现探针尺寸与植物吸收效率呈负相关，其中60 nm的SYH3展现出最快的叶片渗透速率和均匀分布能力，其叶脉成像SBR高达18.6，远超临床常用NIR-I探针ICG（~3.0）。更令人振奋的是，SYH3成功实现了烟草花叶病毒（TMV）感染拟南芥病灶的特异性积累，与GFP标记结果高度吻合，为植物病毒早期诊断开辟了新途径。

关键技术方法：研究通过核磁共振（¹
H NMR）和基质辅助激光解吸飞行时间质谱（MALDI-TOF-MS）表征探针结构；动态光散射（DLS）和透射电镜（TEM）测定纳米尺寸；紫外-可见吸收光谱和荧光光谱分析光学特性；采用NIR-II活体成像系统（LP1000滤光片）和全光谱荧光显微镜进行植物组织成像；以GFP标记的TMV病毒感染拟南芥作为病理模型。

研究结果

尺寸调控与光学特性
PEG链延长使探针尺寸从170 nm（SYH1）递减至60 nm（SYH3），TEM显示其呈球形形态。虽然SYH1因最大尺寸具有最强荧光强度（1020 nm发射），但其170 nm尺寸完全阻碍了叶片渗透。

植物转运效率验证
在绿萝叶片实验中，SYH1 48小时内仅滞留叶柄，而SYH3 6小时即遍布叶脉网络。白鹤芋叶片成像显示，SYH3对三级叶脉的成像分辨率（SBR=13.7）显著优于SYH2（SBR=7.3），证实小尺寸探针的转运优势。

NIR-II vs NIR-I成像对比
与传统探针ICG相比，SYH3的叶脉成像完整性达98%（ICG<50%），信号面积占比（S_Imaging
）稳定在38%。损伤叶片实验进一步验证SYH3能在病变血管处特异性聚集。

活体拟南芥成像
SYH3 3小时内完成从根到叶的转运，清晰显示根尖分生组织、茎皮层细胞和叶气孔结构，其光稳定性远超ICG（10分钟内信号衰减率<5%）。

TMV病毒追踪
SYH3在GFP标记的TMV感染区域呈现特异性荧光聚集，与病理变化区域高度重叠，证实其通过破损维管系统实现病毒病灶定位的能力。

研究结论与意义
该研究首次将PEG工程化策略应用于植物特异性NIR-II探针设计，揭示60 nm是平衡植物吸收与成像性能的黄金尺寸。SYH3突破性地实现了三大功能：1）高对比度叶脉成像（SBR>18）；2）跨组织屏障运输；3）病毒破坏血管的"病灶导航"效应。这项成果不仅填补了NIR-II技术在植物科学的应用空白，更建立了"尺寸-转运-成像"的定量关系模型，为发展植物精准医疗提供了全新方法论。未来，通过进一步优化探针表面化学性质，该技术有望拓展至农作物病害监测、转基因植物研究等领域，推动农业可持续发展。