季宇彬，張娜，王亞麗，張青揚(yáng)，胡海宇

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熱激活延遲熒光分子探針在生物成像中的研究進(jìn)展

季宇彬，張娜，王亞麗，張青揚(yáng)，胡海宇

150076 哈爾濱商業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與環(huán)境科學(xué)研究發(fā)展中心（季宇彬、張娜、王亞麗）；100050 中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院藥物研究所天然藥物活性物質(zhì)與功能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/活性物質(zhì)發(fā)現(xiàn)與適藥化研究北京重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（張青揚(yáng)、胡海宇）

近年來快速發(fā)展的生物熒光成像技術(shù)將熒光顯像技術(shù)與分子探針結(jié)合，對(duì)特定分子靶點(diǎn)和通路在組織水平、細(xì)胞和亞細(xì)胞水平進(jìn)行非侵襲性顯影，實(shí)現(xiàn)在活體狀態(tài)下可視、無損分析和監(jiān)測(cè)不同階段疾病發(fā)展，為疾病的診斷和治療開啟了一片嶄新的天地。熒光信號(hào)高特異性、高信噪比是生物熒光成像質(zhì)量關(guān)鍵，然而由激發(fā)光源產(chǎn)生的雜散光及生物體內(nèi)幾乎涵蓋整個(gè)紫外-可見光區(qū)的大量?jī)?nèi)源性熒光物質(zhì)產(chǎn)生的熒光背景噪音干擾，嚴(yán)重影響了目標(biāo)熒光信號(hào)的靈敏度及精準(zhǔn)性，降低了成像信噪比。為提高生物成像信噪比，除了需要先進(jìn)的熒光成像設(shè)備外，還需要開發(fā)新型高效的熒光探針。近年來出現(xiàn)的激活型智能熒光分子探針[1]、近紅外熒光探針[2]及雙光子熒光探針[3]均能在一定程度上降低背景噪音，提高信噪比，使得熒光成像更加清晰。由于生物環(huán)境的復(fù)雜性和多樣性，已有熒光探針很難避免來自生物環(huán)境自身的干擾。來自生物內(nèi)源性物質(zhì)自身熒光及光源雜散光的熒光信號(hào)均為短壽命熒光（納秒級(jí)），利用具有長(zhǎng)熒光壽命性質(zhì)的分子探針（微秒-毫秒級(jí)）對(duì)生物體進(jìn)行時(shí)間分辨成像，在激發(fā)光和檢測(cè)窗口之間引入適當(dāng)?shù)难舆t時(shí)間，可高效避免短壽命熒光背景干擾，極大地提高信噪比和成像質(zhì)量[4]。由于熒光壽命是分子的固有性質(zhì)，不易受外界因素干擾，開發(fā)新型長(zhǎng)熒光壽命探針，避免背景噪音信號(hào)干擾，提高成像信噪比，成為未來熒光影像技術(shù)研究發(fā)展的重點(diǎn)需求。

目前應(yīng)用于生物成像領(lǐng)域的長(zhǎng)壽命分子探針如磷光探針，往往含有稀土金屬等貴金屬，其經(jīng)濟(jì)成本居高不下，生物毒性較大[5-6]。近年來，熱激活延遲熒光（thermally activated delayed fluorescence，TADF）材料由于其最低激發(fā)單重態(tài)（S1）和最低激發(fā)三重態(tài)（T1）之間的能級(jí)差 ΔEST較小，T1態(tài)激子可以通過反向系間竄越過程（reverse intersystem crossing，RISC）上轉(zhuǎn)換到 S1態(tài)，實(shí)現(xiàn)了 T1態(tài)激子參與的熒光發(fā)射，大大提高了發(fā)光效率，其熒光壽命可達(dá)微秒至毫秒級(jí)（圖1A）。與磷光探針相比，此類探針為有機(jī)小分子，一般只需要 < 300 K 的溫度就能激活，不需要貴金屬及有機(jī)配體的參與，合成成本低，已在有機(jī)發(fā)光材料領(lǐng)域（organic light emitting diodes，OLED）得到廣泛的研究[7-8]。而此類探針熒光效率高、熒光壽命長(zhǎng)，具有非常好的生物成像領(lǐng)域應(yīng)用潛力。目前構(gòu)建一類具有良好長(zhǎng)熒光壽命性質(zhì)的新型 TADF 熒光探針，改善其生物相容性，將為生物靶點(diǎn)與信號(hào)通路研究及疾病的診斷與治療提供新穎的熒光成像研究方法。

圖 1 TADF（A）、傳統(tǒng)熒光（B）和磷光（C）發(fā)光機(jī)制圖

1 熱激活延遲熒光的機(jī)制及分子設(shè)計(jì)策略

一般來說，傳統(tǒng)熒光分子是激子從 S1態(tài)輻射回到基態(tài)（S0）而產(chǎn)生的，此過程非?？焖伲{秒級(jí)），為瞬時(shí)熒光（圖1B）。1998 年，Baldo 等[9]首次報(bào)道了貴金屬及其配合物通過系間竄越（intersystem crossing，ISC），實(shí)現(xiàn)了在室溫下 S1態(tài)和 T1態(tài)共同參與的磷光發(fā)射，由于激子最終是由 T1態(tài)返回 S0態(tài)，其發(fā)射波長(zhǎng)比傳統(tǒng)熒光更長(zhǎng)，此過程需耗費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間（毫秒-秒級(jí)），為長(zhǎng)壽命發(fā)光（圖1C）。另一方面，根據(jù)自旋統(tǒng)計(jì)定理，在電致激發(fā)的情況下，激子按 1:3 的比例分配到 S1態(tài)和 T1態(tài)。傳統(tǒng)熒光僅僅利用 25% 的 S1態(tài)激子發(fā)光，75% 的 T1態(tài)激子以非輻射形式回到 S0態(tài)，導(dǎo)致熱散失。因此，傳統(tǒng)熒光分子的內(nèi)量子效率（internal quantum efficiency，IQE）僅有 25%，只有磷光分子的內(nèi)量子效率理論上可以達(dá)到 100%。但磷光材料大部分包含貴金屬及有機(jī)配體，其經(jīng)濟(jì)成本較高，不利于大規(guī)模生產(chǎn)。

1961 年，人們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)具有 TADF 性質(zhì)的有機(jī)小分子曙紅（Eosin）（圖2A），并將這種熒光現(xiàn)象命名為‘E-type’延遲熒光[10]。不同于磷光，此種延遲發(fā)光表現(xiàn)出與傳統(tǒng)熒光一致的發(fā)射波長(zhǎng)，人們推斷這種延遲熒光也來自 S1態(tài)輻射回到 S0態(tài)。2011 年，Endo 等[11]實(shí)現(xiàn)了 TADF 分子研究的突破，第一次報(bào)道了純有機(jī)小分子 TADF 材料PIC-TRZ（圖2B）用于有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）并對(duì) TADF 有機(jī)小分子的機(jī)制作出初步闡釋。他們發(fā)現(xiàn)減少分子最高占據(jù)軌道（the highest occupied molecular orbital，HOMO）和最低未占據(jù)軌道（the lowest unoccupied molecular orbital，LUMO）的軌道重疊，可以減少 ΔEST。當(dāng) ΔEST足夠?。? 0.3 eV）時(shí)，分子內(nèi)部發(fā)生 RISC，75% T1態(tài)激子通過吸收熱量轉(zhuǎn)換到 S1態(tài)后輻射失活產(chǎn)生微秒級(jí)甚至毫秒級(jí)壽命的延遲熒光[12-14]，從而高效地實(shí)現(xiàn) TADF 發(fā)光（圖3A）。根據(jù)此機(jī)制，人們總結(jié)出當(dāng)分子呈現(xiàn)出一個(gè)扭曲的電子供體-受體結(jié)構(gòu)（twisted electron donor-acceptor，D-A）時(shí)，分子容易具有高效的 TADF 性質(zhì)（圖3B）。2012 年，Uoyama 等[15]報(bào)道了一系列基于咔唑二氰基苯（CDCB）的 TADF 材料，這一系列分子涵蓋了從藍(lán)色到橙色的多個(gè)發(fā)射波段，具有高效的發(fā)光效率。其綠色發(fā)光分子（4CzIPN，圖 2C）的外量子效率（external quantum efficiency，EQE）達(dá)到 19.3%，橙色和天藍(lán)色發(fā)光分子的 EQEs 也分別達(dá)到了 11.2% 和 8.0%。

除了相對(duì)較小的 S1態(tài)和 T1態(tài)能級(jí)差 ΔEST外，相對(duì)較大的 S1態(tài)到 S0態(tài)的輻射衰減常數(shù)r也是獲得高效 TADF 性質(zhì)的必要條件。但這就要求分子的 HOMO 和 LUMO 軌道要有一定程度的重疊，顯然，較大r和較小 ΔEST之間理論上是相互矛盾的。這就要求在設(shè)計(jì) TADF 分子時(shí)要平衡考慮r和 ΔEST，以獲得最好的結(jié)構(gòu)[16-17]。具體可以通過下列方式獲得較小的 ΔEST：①位阻基團(tuán)的引入，通過電子給體與電子受體部分的選擇及引入修飾基團(tuán)使整個(gè)分子具有較大的空間位阻；②構(gòu)建 X 型分子可以有效減少 ΔEST；③通過螺連接[18]、正交連接[19]等方式實(shí)現(xiàn)電子給體和電子受體的空間分離；④通過引入具有相反共振效應(yīng)的原子并構(gòu)建剛性平面以獲得多重共振效應(yīng)的方式減小 ΔEST[20]。另一方面，可以通過以下方式獲得較大的r：①通過電子給體和電子受體部分的緊密連接，加強(qiáng)分子結(jié)構(gòu)剛性，可以減少非輻射衰變，獲得較高的r；②增加分子 S0態(tài)的電子波函數(shù)重疊密度分布，可以提高r[21]；③有效分離 HOMO 和 LUMO 能級(jí)可以使分子前線軌道產(chǎn)生離域，抑制輻射衰減速率的降低[22]。

圖 2 Eosin（A）、PIC-TRZ（B）及 4CzIPN（C）的結(jié)構(gòu)式（藍(lán)色部分為電子給體，紅色部分為電子受體）

圖 3 TADF 分子中減小ΔEST的策略（A）和扭曲的電子供體-受體結(jié)構(gòu)（B）

隨著越來越多的具有 TADF 性質(zhì)的材料被開發(fā)并用于 OLED 材料研究中，目前已研究報(bào)道的 D-A型 TADF 材料的電子給體（donor，D）主要是具有較強(qiáng)的給電子能力、較高的 T1態(tài)能級(jí)、較好的穩(wěn)定性等特點(diǎn)的芳胺結(jié)構(gòu)單元，如咔唑[23]、吖啶[24]、叔丁基咔唑[25]、三苯胺[26]、吩噁嗪[27]及二氫吩嗪[28]等；而電子受體（acceptor，A）主要為含氮雜環(huán)，如 1,3,5-三嗪[29]、氰基苯[30]、二苯砜[31]、二苯并噁硼酸鹽[32]、苯并內(nèi)酰亞胺[33]及萘酰亞胺[34]等（圖 4）。這些 TADF 材料具有良好的熒光量子效率，較長(zhǎng)的熒光壽命，并因?yàn)槠浜铣珊?jiǎn)便，極大地降低了經(jīng)濟(jì)成本。但目前的 TADF 分子 T1態(tài)激子對(duì)氧氣敏感，延遲熒光容易被單線態(tài)氧淬滅。此外，這些分子不論是電子供體部分還是電子受體部分，大部分是由親脂性基團(tuán)組成的剛性分子，整個(gè)分子水溶性差，使其生物相容性較差。同時(shí)也不具有生物功能基團(tuán)連接位點(diǎn)，因此很難應(yīng)用于生物成像領(lǐng)域。

2 熱激活延遲熒光分子在生物成像中的應(yīng)用

為了使 TADF 材料能夠應(yīng)用于生物成像領(lǐng)域，首先需要考慮的是 TADF 分子不能被單線態(tài)氧淬滅。目前已報(bào)道了三種方式：①通過在與細(xì)胞孵育過程中加入牛血清白蛋白（bovine serum albumin，BSA），TADF分子可以進(jìn)入 BSA 的疏水腔，與外界單線態(tài)氧隔絕。此外，BSA 中含有的色氨酸，可以與單線態(tài)氧反應(yīng)，使其得到明顯消耗。從而在細(xì)胞成像過程中保留 TADF 分子的延遲熒光性質(zhì)。此外 BSA 還可幫助分子探針滲入細(xì)胞，改善分子探針的生物相容性。②將具有 TADF 性質(zhì)的分子與納米材料相結(jié)合，將其做成納米顆粒，通過外層納米材料隔絕單線態(tài)氧。而且通過這種方式改善分子的生物相容性，增大其水溶性、透膜能力及減少生物毒性。③通過分子探針自身的疏水聚集作用，保護(hù)分子本身免受氧氣的淬滅。除通過納米材料改善生物相容性外，還可以在不影響延遲熒光性質(zhì)的前提下，在 TADF 分子中引入柔性鏈以改善化合物的溶解性及生物相容性，從而使 TADF 分子能夠應(yīng)用于生物成像領(lǐng)域。

2014 年，Xiong 等[35]首次報(bào)道了有機(jī)小分子 TADF 探針 DCF-MPYM 直接應(yīng)用于 MCF-7 乳腺癌細(xì)胞時(shí)間分辨成像（圖 5）。DCF-MPYM 是一種基于熒光素衍生物構(gòu)建的具有長(zhǎng)熒光壽命的、不含貴金屬的純有機(jī)熒光團(tuán)化合物，其熒光壽命在去氧乙醇中可達(dá) 22.11 微秒，經(jīng)過性質(zhì)測(cè)定，此分子具有明顯的 TADF 特征。其具有較高熒光量子產(chǎn)率、較大的斯托克斯位移、較低的細(xì)胞毒性和較長(zhǎng)的熒光壽命，在室溫狀態(tài)下就具有延遲熒光特性。但其延遲熒光性質(zhì)對(duì)氧敏感，DCF-MPYM 在無氧的環(huán)境中平均壽命 22.11 微秒，在空氣中熒光壽命從 22.11 微秒降低到 4.30 微秒。體外試驗(yàn)中，在分子探針中加入了 BSA，利用 BSA 的疏水腔及含有的色氨酸，隔絕及淬滅單線態(tài)氧，增強(qiáng)分子探針的延遲熒光性質(zhì)，并利用 DCF-MPYM可以進(jìn)入 BSA 的疏水腔，而對(duì)細(xì)胞中的 BSA 進(jìn)行選擇性的時(shí)間分辨成像檢測(cè)，表明 DCF-MPYM 可以用作時(shí)間分辨生物成像的熒光標(biāo)簽。在 MCF-7 細(xì)胞成像試驗(yàn)中，BSA 不僅可以淬滅活細(xì)胞中的單線態(tài)氧，增強(qiáng)延遲熒光信號(hào)，還可以幫助分子探針滲入細(xì)胞，使更多的分子穿透細(xì)胞膜，改善分子探針的生物相容性。DCF-MPYM 具有明顯的 TADF 特性，實(shí)驗(yàn)表明它可以作為一種新的長(zhǎng)熒光壽命小分子探針用于活細(xì)胞成像中，以取代含有貴金屬的磷光探針。

圖 4 電子給體（A）及電子受體（B）

圖 5 DCF-MPYM 的分子結(jié)構(gòu)

2015 年，在 DCF-MPYM 探針的基礎(chǔ)上又引入了兩個(gè)a,b-不飽和羰基基團(tuán)，構(gòu)建了用于巰基檢測(cè)的智能探針 DCF-MPYM-thiol[36]（圖 6）。此探針起初由于兩個(gè)a,b-不飽和羰基基團(tuán)的熒光淬滅作用并不發(fā)光，當(dāng)加入半胱氨酸（Cys）后，可以脫除兩個(gè)a,b-不飽和羰基基團(tuán)，暴露出 DCF-MPYM，熒光強(qiáng)度得到了明顯的增強(qiáng)。利用此探針檢測(cè)了溶液狀態(tài)下的巰基化合物，并成功用于 MCF-7 細(xì)胞時(shí)間分辨成像研究。

納米材料在水中有良好的分散性，可以改善分子的細(xì)胞吸收，提高目標(biāo)分子的生物相容性。近年來，結(jié)合納米材料的探針分子在生物成像領(lǐng)域得到越來越廣泛的研究，2016 年，Zhang 等[37]首次利用基于具有 TADF 性質(zhì)的小分子，制備了有機(jī)納米顆粒用于光動(dòng)力療法（photodynamic therapy，PDT）。PDT 是一種很有前途的癌癥治療方法，具有非侵入性、高選擇性、無耐藥性等優(yōu)點(diǎn)，且?guī)缀鯖]有副作用。在 PDT 中，光激發(fā)分子探針產(chǎn)生單線態(tài)氧（1O2）來殺死癌細(xì)胞。利用已有的 TADF 光學(xué)材料 2CzPN、4CzIPN及 4CzIPN-Ph（圖 7）制備了用于生成1O2的光敏劑，首次將 TADF 的概念引入 PDT 領(lǐng)域（圖 8）。這三個(gè)分子可以自組裝成不同的納米材料，包括納米棒（NRs）和納米顆粒（NPs），并可用于雙光子成像。這些納米材料具有良好的水中分散性、較低的細(xì)胞毒性及較強(qiáng)的抗光降解和光漂白能力。在1O2檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中，用對(duì)1O2敏感的 SOSG 作為傳感器，當(dāng)產(chǎn)生1O2時(shí)，SOSG 的綠色熒光會(huì)增加。首先將 SOSG 加入到不同 TADF 納米材料的分散物中，在連續(xù)輻射光照下，熒光光譜顯示在 2CzPN、4CzIPN 及 4CzIPN-Ph NPs 分散體系中 SOSG 的熒光強(qiáng)度隨著輻照時(shí)間的增加而顯著增強(qiáng)。這些結(jié)果表明，這三種以 TADF 分子為基礎(chǔ)的有機(jī)納米材料具有潛在的 PDT 應(yīng)用前景。

圖 6 巰基激活型 TADF 探針 DCF-MPYM-thiol

2017 年，Li 等[38]將具有 TADF 性質(zhì)和聚集誘導(dǎo)發(fā)射增強(qiáng)作用（aggregation induced emission enhancement，AIEE）的有機(jī)小分子 CPy 與 DSPE-PEG2000相結(jié)合，制備了一個(gè)具有長(zhǎng)熒光壽命的量子點(diǎn)探針CPy-Odots（圖 9）。其中聚乙二醇衍生物 DSPE-PEG2000作為包封基質(zhì)，其具有良好的包封性能和生物相容性。有機(jī)小分子 CPy 被封裝在 DSPE-PEG2000中，由于 DSPE-PEG2000具有兩親性，CPy被疏水性 DSPE 片段包裹形成 CPy-Odots 的核，而親水性 PEG2000片段則延伸到水相中使其具有相當(dāng)?shù)乃苄?。此量子點(diǎn)探針表現(xiàn)出了水溶性佳、熒光強(qiáng)度高（熒光量子效率可達(dá) 38.3%）、穩(wěn)定性好、細(xì)胞毒性低等優(yōu)點(diǎn)，極大改善了原有 TADF 分子 CPy 的生物相容性。重要的是 CPy-Odots 量子點(diǎn)探針在大氣環(huán)境中具有 9.3 微秒的長(zhǎng)熒光壽命，這表明由于 DSPE-PEG2000的包裹作用，使 Cpy 的延遲熒光不易被單線態(tài)氧淬滅。而 HeLa 細(xì)胞熒光壽命成像結(jié)果顯示了 CPy-Odots 主要在細(xì)胞膜上有明顯的聚集，發(fā)出較強(qiáng)的熒光信號(hào)，其熒光壽命平均為 165 納秒。進(jìn)一步，此量子點(diǎn)探針被用于斑馬魚活體激光共聚焦及時(shí)間分辨成像實(shí)驗(yàn)中，顯示了良好的成像效果，其在斑馬魚中的熒光壽命也達(dá)到百納秒級(jí)，可以和背景信號(hào)有明顯的區(qū)分，表明了 CPy-Odot 量子點(diǎn)探針在活體熒光壽命成像中的應(yīng)用潛力。

圖 7 2CzPN（A）、4CzIPN（B）及 4CzIPN-Ph（C）的結(jié)構(gòu)式

圖 8 TADF 分子1O2生成機(jī)制

圖 9 CPy 和 DSPE-PEG2000的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

2018 年，Hu 等[39]通過納米沉淀法，將具有 TADF 性質(zhì)的有機(jī)小分子 TXO 穩(wěn)定封裝在 PEG--PPG--PEG 中，從而獲得了長(zhǎng)熒光壽命的 TXO 納米粒子 TXO NPs（圖 10）。一般情況下，大部分的 TADF 分子具有水溶性差、聚集誘導(dǎo)淬滅等缺點(diǎn)，其在生物體系內(nèi)熒光壽命有明顯下降。TXO 小分子不僅具有 TADF 性質(zhì)，其還擁有聚集誘導(dǎo)發(fā)光特征（aggregation induced emission，AIE）。在乙腈/水混合溶液測(cè)定 TXO 聚集誘導(dǎo)發(fā)光作用實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)水的比例很低時(shí)，TXO 幾乎不發(fā)熒光，而只有當(dāng)水的比例達(dá)到 60% 時(shí)，才會(huì)有明顯的熒光增強(qiáng)。這表明 TXO 具有明顯的 AIE 效應(yīng)。而隨著水占比的增加，發(fā)現(xiàn) TXO 的熒光壽命也從 0.4 納秒增加到 6.3 納秒，顯示 TXO 的聚集作用不僅能夠使熒光增強(qiáng)，熒光壽命也進(jìn)一步延長(zhǎng)。隨后，TXO 被緊密地封裝在 PEG--PPG--PEG 中，得到納米粒子 TXO NPs。TXO NPs 是一種水溶性有機(jī)半導(dǎo)體納米粒子，其熒光壽命達(dá)到 4.2 微秒，幾乎是現(xiàn)有熒光探針的 1000 倍。其次，其具有高效的雙光子吸收，可以用于體內(nèi)雙光子熒光壽命成像（TP-FLIM）。通過研究比較 TXO NPs 水溶液與空氣、氮?dú)饣蜓鯕怙柡投鹊难舆t熒光壽命，得出即使持續(xù)吹入 10 min 氧氣后，其熒光壽命也幾乎保持不變。這表明 TXO NPs 具有對(duì)氧惰性特征，特別是在富氧生物體系中，這種氧惰性光學(xué)特性表明了 TXO NPs 的巨大應(yīng)用潛力。TXO NPs 具有良好的光學(xué)穩(wěn)定性和生物相容性，其在 HepG2 細(xì)胞的 TP-FLIM 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示 TXO NPs 可以很容易進(jìn)入細(xì)胞并顯示明顯的紅色熒光。此外，TXO NPs 在斑馬魚體內(nèi)的熒光壽命成像結(jié)果與 HepG2 細(xì)胞中的非常吻合。TXO NPs 的相對(duì)長(zhǎng)的熒光壽命足以消除短壽命自身熒光的干擾，使其具有作為體內(nèi) TP-FLIM 造影劑的潛力。

2018 年，Ni 等[40]以三聯(lián)吡啶為電子受體，吩噁嗪（PXZ）為電子供體，通過一個(gè)苯環(huán)連接，設(shè)計(jì)合成了一種新型的 TADF 熒光團(tuán) PXZT。PXZT 不僅表現(xiàn)出了典型的熱激活延遲熒光性質(zhì)，還具有聚集誘導(dǎo)延遲發(fā)光和結(jié)晶誘導(dǎo)室溫磷光（room temperature phosphorimetry，RTP）的特性。其中 PXZT 可以通過自身的疏水聚集作用來消除氧氣的淬滅作用，從而使其在空氣中仍然能保持 TADF 性質(zhì)。PXZT 的三聯(lián)吡啶部分可以和鋅離子相互作用而形成配合物 ZnPXZT1，此配合物大大增強(qiáng)了整個(gè)分子的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致 PXZT 的熒光完全淬滅，從而降低了成像中 PXZT 本身熒光信號(hào)的干擾（圖 11）。此外，所得到的鋅配合物也增大了其在水中的溶解度。由于鋅是真核生物和許多含鋅蛋白的重要微量元素，參與多種細(xì)胞活動(dòng)，推測(cè)出 ZnPXZT1 可能在細(xì)胞活動(dòng)過程中重新釋放出 PXZT，從而使 PXZT 的 TADF 性質(zhì)得以恢復(fù)。隨后這種鋅配位的 ZnPXZT1 探針成功地用于 HeLa 和 3T3 細(xì)胞的時(shí)間分辨成像，發(fā)現(xiàn)這是一種有效的消除背景信號(hào)的方法。

圖 10 TXO 和 PEG-b-PPG-b-PEG 的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

圖 11 鋅離子輔助調(diào)節(jié)的熱激活延遲熒光機(jī)制

3 結(jié)語(yǔ)

隨著生物成像技術(shù)的發(fā)展，熒光信號(hào)的高信噪比是生物熒光成像質(zhì)量關(guān)鍵，然而由于生物環(huán)境的復(fù)雜性和多樣性，已有熒光探針很難避免來自生物環(huán)境自身及激發(fā)光源產(chǎn)生的雜散光的干擾，嚴(yán)重影響了目標(biāo)熒光信號(hào)的靈敏度及精準(zhǔn)性，降低了成像信噪比。熱激活延遲熒光（TADF）材料由于具有很小的 S1態(tài)和T1態(tài)能級(jí)差（ΔEst< 0.3 eV），T1態(tài)激子可以通過 RISC 過程，上轉(zhuǎn)換到 S1態(tài)，實(shí)現(xiàn)了 T1態(tài)激子參與的熒光發(fā)射，其理論內(nèi)量子效率達(dá)到 100%。在 OLED 材料領(lǐng)域，解決了以往傳統(tǒng)熒光及磷光 OLED 低效率、高成本以及性能不穩(wěn)定的難題，被譽(yù)為繼熒光和磷光材料后的“第三代 OLED 器件”。TADF 材料的熒光壽命可達(dá)微秒至毫秒級(jí)，具有避免背景信號(hào)干擾（大部分背景信號(hào)熒光壽命為納秒級(jí)），進(jìn)行熒光壽命成像的潛力。但其生物相容性差、易被單線態(tài)氧淬滅的缺點(diǎn)嚴(yán)重限制了其在生物領(lǐng)域的應(yīng)用。

目前基于 TADF 分子的研究還是一個(gè)新興的領(lǐng)域，為生物成像帶來了很大的突破，為細(xì)胞過程、信號(hào)通路研究及疾病的診斷治療提供了更好的平臺(tái)技術(shù)。本文總結(jié) TADF 的發(fā)光機(jī)制及分子設(shè)計(jì)原則，并歸納了已有的避免單線態(tài)氧淬滅及改善探針分子生物相容性的方法。但整體技術(shù)還不成熟，TADF 探針的選擇性、靶向性不高，TADF 探針在生物領(lǐng)域的研究仍面臨著巨大的挑戰(zhàn)。構(gòu)建具有良好生物相容性的新型 TADF 熒光探針，改善分子探針?biāo)苄?，增?qiáng)靶向性，并開發(fā)避免單線態(tài)氧淬滅的新方法，是使 TADF 分子探針應(yīng)用于生物成像領(lǐng)域的關(guān)鍵和需解決的瓶頸問題。

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張青揚(yáng)，Email：zhangqingyang@imm.ac.cn；胡海宇，Email：haiyu.hu@imm.ac.cn

2018-10-11

10.3969/j.issn.1673-713X.2018.06.009