Mercury rising: A FRET-based ratiometric probe (see picture; FRET=fluorescence resonance energy transfer) can selectively detect Hg2+ ions on the parts-per-billion scale under physiological conditions. The probe undergoes a clear Hg2+-induced change in the intensity ratio of the two well-separated and equally intense emission bands of dipyrrometheneboron difluoride and rhodamine. Experiments show that the probe can be used in living cells.

A Cu(II)-sensing, ratiometric, and selective fluorescent sensor 1, N-butyl-4,5-di[(pyridin-2-ylmethyl)amino]-1,8-naphthalimide, was designed and synthesized on the basis of the mechanism of internal charge transfer (ICT). In aqueous ethanol solutions of 1, the presence of Cu(II) induces the formation of a 1:1 metal-ligand complex, which exhibits a strong, increasing fluorescent emission centered at 475 nm at the expense of the fluorescent emission of 1 centered at 525 nm. [structure: see text]

A lysosome-specific and two-photon fluorescent probe, Lyso-NINO, demonstrates high selectivity and sensitivity toward NO, lower cytotoxicity, and perfect lysosomal localization. With the aid of Lyso-NINO, the first capture of NO within lysosomes of macrophage cells has been achieved using both two-photon fluorescence microscopy and flow cytometry.

We have developed Lyso-V, the first fluorescent probe of lysosomal viscosity. Because of its lysosome-actived fluorescence characteristics, Lyso-V has proved to be an ideal lysosomal tracer with high spatial and temporal resolution under laser confocal microscopy. More importantly, Lyso-V shows its practical applicability in real-time quantification of lysosomal viscosity changes in live cells through fluorescence lifetime imaging microscopy.

In this feature article, we report our recent progresses in fluorescent sensors of biological dyes from the viewpoint of supramolecular and bioorganic chemistry. For signalling fluorophores, we extended or created naphthalene-based ICT systems, e.g. amino-1,8-naphthalimides, amino-1,8-dicyanonaphthalenes and acenaphthopyrrol-9-carbonitriles. We also developed BODIPY derivatives with large Stokes shifts and high fluorescence quantum yields in polar solvents, and a rhodamine analogue working in strong competitive aqueous solution as well as its silaanthracene analogue with a bathochromic shift as large as 90 nm. For sensing mechanisms, we extended or developed the following methods to improve sensing: e.g. PET in a photogenerated electronic field, TICT promoted PET derived from aminoalkyl or piperazino aminonaphthalimides, and the translation/amplification effect of surfactant micelles or aggregation on fluorescent sensing. We also successfully designed deprotonation strengthened ICT, FRET-chemodosimeter sensing systems. For non-cyclic recognition receptors, naphthalimides with two or more side chains at their 4,5- or 3,4-positions, as a convenient and simple platform for ratiometric sensors, were created for the recognition of heavy and transition metallic cations; multi-armed polyamides with more side chains were innovated as a versatile platform for the sensing of metal ions with high affinity, selectivity and positive homotropic allosteric effects. We designed V-shape sensors of the bis(aminomethyl)pyridine receptor with two fluorophores to show high performance. Finally, the intracellular applications of the above sensors and dyes, e.g. imaging heavy and transition metal ions in cells, fluorescent marking of hypoxia of tumour cells, are also reviewed.

Abstract Live-cell single-molecule localization microscopy has advanced with the development of self-blinking rhodamines. A pK cycling of <6 is recognized as the criterion for self-blinking, yet partial rhodamines matching the standard fail for super-resolution reconstruction. To resolve this controversy, we constructed two typical self-blinking rhodamines (pK cycling = 5.67, 5.35) and a tetramethylsulfonamide rhodamine with unfit pK cycling characteristic (7.00). Kinetic study uncovered slow equilibrium rates and limited blink numbers resulted in the reconstruction failure of partial rhodamines. From the kinetic disparity, a turn-on rate was abstracted to reveal the natural blinking frequency. The new parameter independent from applying laser satisfactorily explained the imaging failure, efficacious for determining the propensity of self-blinking from a kinetic perspective. Following the prediction from this parameter, the tetramethylsulfonamide rhodamine enabled live-cell super-resolution imaging of various organelles through Halo-tag technology. It is convinced that the turn-on rate would be a practical indicator of self-blinking and imaging performance.

Abstract The evolution of super-resolution imaging techniques is benefited from the ongoing competition for optimal rhodamine fluorophores. Yet, it seems blinded to select the best one among different rhodamine derivatives for specific labeling and imaging, without the knowledge on imaging impact of even the minimum structural transform. Herein, we have designed a pair of self-blinking sulforhodamines (STMR, SRhB) with the bare distinction of methyl or ethyl substituents, and engineered them with Halo protein ligands. Although the two present similar spectral properties (λ ab , λ fl , □, etc.), they demonstrated unique single-molecule characteristics preferring to individual imaging applications. Experimentally, STMR with high emissive rates was qualified for imaging structures with rapid dynamics (endoplasmic reticulum, mitochondria), and SRhB with prolonged on-times and photostability was suited for relatively “static” nuclei and microtubules. Utilized this new knowledge, the mitochondrial morphology during apoptosis and ferroptosis was first super-resolved by STMR. Our study highlights the significance of even the smallest structural modification to the modulation of super-resolution imaging performance, and would provide insight for future fluorophore design.

The construction of a stable membrane tracker has significant implications for the visualization of the membrane in live cells. However, most current plasma trackers are not suitable for tracking plasma membranes for a long time due to their limited retention time. Herein, Mem580-F-Sulfo is designed to target and anchor cell membranes, and therefore track cell membranes for a longer time. This tracker is composed of a lipophilic BODIPY derivative and a hydrophilic zwitterion to form an amphiphilic structure, which enables its targeting ability toward cell membranes. Moreover, a reactive ester group is included to bind with proteins through covalent bonds in cell membranes non-specifically, which extends retention time in cell membranes. Mem580-F-Sulfo shows intense brightness (94600) with a high molar absorption coefficient of up to about 100000 L·mol-1·cm-1 and a fluorescence quantum yield of up to 0.97. It shows fast cell membrane targeting ability and long retention up to 90 min. In brief, this work has not only developed a tracker with good cell membrane targetability but also provided a new strategy for improving the targeting stability of cell membranes.