柳蘇月 田晶晶 田洪濤 許文濤1，

（1. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，保定 071001；2. 北京食品營養(yǎng)與人類健康高精尖創(chuàng)新中心 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，北京 100083；3. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因生物安全評價（食用）重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，北京 100083；4. 國家北方山區(qū)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，保定 071001）

稀土元素（Rare earth element，REE）也稱鑭系元素（Lanthanide element，Ln），在周期表中包含鑭（Lanthanum，La）到镥（Lutetium，Lu）15 種金屬元素，它們具有相似的外層電子結(jié)構(gòu)，彼此之間化學(xué)性質(zhì)相似。在4f 軌道上，電子的運(yùn)動狀態(tài)和能級特征賦予了稀土配合物特殊的發(fā)光性質(zhì)。被屏蔽的4f 軌道發(fā)生f-f 禁阻躍遷時，Ln 能保持其特有的發(fā)光顏色，并且具有光譜特性—可見光區(qū)產(chǎn)生的線性譜帶窄，激發(fā)態(tài)壽命達(dá)毫秒級。但是，由f-f 禁阻躍遷產(chǎn)生的鑭系離子（Ln3+）在紫外可見光區(qū)域摩爾吸光系數(shù)小，對激發(fā)光的吸收能力弱。為了增強(qiáng)其發(fā)光性能，部分有機(jī)化合物能與Ln3+形成特殊發(fā)光配合物，并且鑭系發(fā)光配合物得到了廣泛的研究。

1942 年3 月，魏斯曼［1］提出了天線效應(yīng)，也稱光敏化作用，即Ln3+作為能量受體，當(dāng)有機(jī)配體（能量供體）捕獲激發(fā)光的能量后經(jīng)能量轉(zhuǎn)移過程將能量轉(zhuǎn)移至Ln3+，Ln3+因此達(dá)到激發(fā)態(tài)，之后經(jīng)輻射躍遷能夠發(fā)光。這種供體與受體之間的相互作用，涉及多種能量轉(zhuǎn)移機(jī)制，如F?rster 共振能量轉(zhuǎn)移（F?rster resonance energy，F(xiàn)RET）［2］，德克斯特能量轉(zhuǎn)移（Dexter excitation transfer，DET）［3］等。天線效應(yīng)為提高Ln3+的發(fā)光性能提供了有效途徑，使得鑭系發(fā)光配合物具有獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)—斯托克（Stokes）位移大，發(fā)射帶尖銳，發(fā)光壽命長，光化學(xué)穩(wěn)定性高等［4］。

相比于其它Ln3+，更多研究集中在銪離子（Eu3+）發(fā)光配合物和鋱離子（Tb3+）發(fā)光配合物［5］。它們具有高量子產(chǎn)率，長壽命和多個光譜分辨的發(fā)射帶。但是相比于銪，鋱的發(fā)射帶能更好分離［2］。基于此，對鋱離子與不同配體形成的發(fā)光鋱離子配合物的研究狀況及其應(yīng)用展開評述，特別是其優(yōu)異的發(fā)光性質(zhì)在生物技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，如熒光探針、生物傳感、細(xì)胞成像、藥物遞送及癌癥的診斷和治療等方面。

1 鋱離子及鋱離子配合物的基本性質(zhì)

鋱（Terbium）在稀土元素中排列第14 位，為銀灰色金屬，有延展性，質(zhì)地軟。三價鋱離子（Tb3+）具有一定細(xì)胞毒性，在體內(nèi)Tb3+靶器官為肝、肺和脾，當(dāng)與合適的配體進(jìn)行配合之后形成的鋱離子配合物能后適度地降低其毒性［6］。Tb3+具有獨(dú)特的光、電、磁等性質(zhì)［7-8］，其中Tb3+的發(fā)光性質(zhì)引起了科研工作者的研究興趣?；谔炀€效應(yīng)改善其發(fā)光特性能進(jìn)一步拓寬其應(yīng)用范圍，如在光功能材料方面，可以用于照明，激光等；其構(gòu)建的發(fā)光探針還可以應(yīng)用于生物傳感器、生物成像等；在醫(yī)學(xué)方面如免疫檢測、藥物遞送、癌癥的診斷和治療［5］。

1.1 鋱離子的發(fā)光性質(zhì)

Tb3+的發(fā)光機(jī)制屬于光致發(fā)光，即通過紫外可見或紅外輻射，用電磁輻射照射激發(fā)Tb3+。因?yàn)門b3+具有較低的摩爾消光系數(shù)，當(dāng)用紫外燈對其直接輻射時，或者不發(fā)光或者發(fā)出微弱的綠色熒光，且水溶液中游離的Tb3+吸光截面低，其周圍介質(zhì)如配位水分子中的氫氧鍵的高頻振動造成非輻射失活，引起能量損失，對其發(fā)光有一定的淬滅作用［2，9-10］。

1.2 鋱離子配合物的發(fā)光特性

基于配位化學(xué)的原理，配體的選擇對于鋱離子配合物的發(fā)光性質(zhì)有很大的影響。綜合多年的研究工作來看，大多數(shù)工作致力于提高其發(fā)光性能從而擴(kuò)展其應(yīng)用。

單齒配體，是指一個配體只具有一個配位原子。多齒配體，是指一個配體中含有兩個或兩個以上的配位原子。Tb3+可以部分多齒配體形成較為穩(wěn)定的發(fā)光復(fù)合物，尤其是與含有帶負(fù)電荷的供體基團(tuán)的配體。一般用紫外燈激發(fā)該配合物的水溶液能得到Tb3+獨(dú)特且強(qiáng)烈的綠色熒光。此外，溶劑也會對鋱離子的發(fā)光性能造成影響，與水這種常用的溶劑相比，如DNA/Tb 的配合物在二甲基酰胺（DMF）和二甲基亞砜（DMSO）中發(fā)生發(fā)光率更強(qiáng)［11］。有機(jī)溶劑能促進(jìn)靜電相互作用，使得Tb3+配位范圍發(fā)生改變。此外，Tb3+還可以與具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的配合物形成鋱離子螯合物，通過兩個或者多個配位體與Tb3+形成螯合環(huán)。從軟硬酸理論的角度來看，鋱（III）離子屬于硬酸，傾向于與氧，氮類硬堿相互作用［12］。選擇符合要求且高效的配體或者敏化劑螯合鋱離子，一方面能減少周圍環(huán)境介質(zhì)造成的發(fā)光淬滅影響；另一方面基于天線效應(yīng)顯著提高鋱離子發(fā)光性能。

1.3 常見的鋱離子配體

常見的鋱離子配體例如含N 雜環(huán)有機(jī)配體：聯(lián)吡啶、2，6-吡啶二羧酸；含多羧基有機(jī)多齒配體：乙二胺四乙酸（EDTA）、二乙烯三胺五乙酸（DTPA）等聚氨基多羧酸鹽，是常見的螯合劑［12］。此外，還有含α-羰基羧酸構(gòu)型的第3 代喹諾酮類抗菌藥物例如恩諾沙星、氟羅沙星、普盧利沙星和達(dá)氟沙星，都可與鋱離子形成二元配合物。生物大分子類如核酸、蛋白質(zhì)芳香殘基的三重態(tài)與鋱的共振能級幾乎重疊。核酸、肽用作天線配體，也可以與鋱離子形成復(fù)合物［13］。不同配體彼此能協(xié)同配合，還能形成三元發(fā)光配合物。譬如聯(lián)吡啶與Tb3+形成的配合物還能有效結(jié)合DNA。不僅如此，Tb3+及其配合物還能結(jié)合大多數(shù)納米材料，所得復(fù)合材料能進(jìn)一步提高其發(fā)光性能等。常用的納米材料有碳量子點(diǎn)、二氧化硅、金屬-有機(jī)骨架、層狀雙氫氧化物等，并且有專門對于稀土層狀稀土氫氧化物納米材料的研究。一般而言，核酸、蛋白質(zhì)、納米顆粒等結(jié)構(gòu)不僅能夠敏化Tb3+發(fā)光，還能螯合Tb3+從而減少周圍介質(zhì)對其發(fā)光的淬滅作用［14］。

1.4 鋱離子配合物的發(fā)光機(jī)理及影響發(fā)光性能的因素

鋱離子配合物的發(fā)光機(jī)理建立在紫外可見或紅外輻射的光致發(fā)光原理的基礎(chǔ)上。光致發(fā)光的過程即是用電磁輻射照射激發(fā)鋱離子配合物，其將經(jīng)歷吸收能量，能量傳遞，能量發(fā)射3 個階段。配體敏化鋱離子發(fā)光過程機(jī)制可以用圖1 來解釋。高效配體（供體）吸收能量后從基態(tài)（S0）變成激發(fā)單重態(tài)（S1），通過系間竄躍能進(jìn)入激發(fā)三重態(tài)（T1），當(dāng)配體的激發(fā)三重態(tài)與鋱離子的5D4發(fā)射態(tài)能量水平重疊時，能夠發(fā)生能量轉(zhuǎn)移的過程，能量轉(zhuǎn)移到位于較低能級的Tb3+，該過程屬非輻射躍遷。處于最低激發(fā)態(tài)能級的Tb3+隨之發(fā)生輻射躍遷，可發(fā)出綠色熒光［15］。其特征發(fā)射光譜對應(yīng)于從5D4能級到7Fj（j= 3，4，5，6）的電子躍遷。并且由5D4到7F5的能級躍遷發(fā)出的熒光最強(qiáng)，在熒光光譜上表現(xiàn)出尖銳的發(fā)射峰。此外，配體從不同多重態(tài)的激發(fā)態(tài)（單重激發(fā)態(tài)或三重激發(fā)態(tài)）向基態(tài)（S0）輻射過程中也會產(chǎn)生相應(yīng)的熒光或磷光［12］。

因此，高效的配體或敏化劑，除了應(yīng)具有較高的吸收系數(shù)、高熱力學(xué)和動力學(xué)的穩(wěn)定性等特點(diǎn)外，其還需具有較小的單線態(tài)與三線態(tài)之間的能隙，如此才能進(jìn)行有效的系間竄躍，并且其最低三重態(tài)與鋱離子的最低激發(fā)態(tài)匹配程度應(yīng)相當(dāng)或者重疊。此外，有機(jī)配體連接的基團(tuán)、配位環(huán)境以及多種配體的參與導(dǎo)致的協(xié)同發(fā)光效應(yīng)也能影響鋱離子配合物的發(fā)光性能［5］。

圖1 敏化鋱離子發(fā)光能量轉(zhuǎn)移機(jī)制

1.5 鋱離子與核酸

能量轉(zhuǎn)移試驗(yàn)中，寡核苷酸和Tb3+形成的配合物最具代表性［16］。如DNA，是與磷酸基團(tuán)相關(guān)的核苷酸堿基（A、T、G 和C）的帶負(fù)電荷的聚合物，并且其組成和構(gòu)象具有可編程性，易化學(xué)合成，易購置，具有穩(wěn)定性，純度高，成本低［17］。

核堿基（嘌呤或嘧啶堿基）為DNA 組成部分之一，是良好的發(fā)色團(tuán)，可作為能量轉(zhuǎn)移過程中的供體，因而核酸及其片段在一定波長范圍內(nèi)對紫外輻射有較強(qiáng)的吸收，并且特定堿基對應(yīng)特定的吸收波長。其中鳥嘌呤（Guanine，G）在波長約285 nm 處有最大紫外光吸光值，并且具有合適的三重態(tài)能量［18］，能將能量傳遞至Tb3+，即鳥嘌呤能夠敏化Tb3+發(fā)光，是有效的敏化劑。從其結(jié)構(gòu)來看（圖2-A），G 的六元環(huán)上，O6 和N7 是Tb3+的合適配位位點(diǎn)。此外，還有胞嘧啶（Cytosine，C），其通過O2 和N3 能與Tb3+配位。G 和C 均可增強(qiáng)水溶液中Tb3+發(fā)光，二者發(fā)光增強(qiáng)效果的差異可能源于三重態(tài)能量形成的量子產(chǎn)率的差異或是結(jié)合穩(wěn)定性以及動力學(xué)的差異。另外，腺嘌呤（Adenine，A）和胸腺嘧啶（Thymine，T）因?yàn)椴痪哂邢噜彽母唠娮用芏葏^(qū)域，其氧原子僅用于鍵合作用［9］。Tb3+作為具有高電荷密度的硬路易斯酸，對DNA 的磷酸骨架也具有高親和力，可以與磷酸基團(tuán)結(jié)合。Tb3+能與所有核苷酸單磷酸的磷酸鹽配位，即與磷酸基團(tuán)上的氧進(jìn)行配位，但是能進(jìn)行有效的能量轉(zhuǎn)移的配體主要來自堿基［9，16］。

在此基礎(chǔ)之上，核苷類別中的 鳥嘌呤核苷（Guanosine），由鳥嘌呤和核糖環(huán)組成，作為一種在紫外區(qū)具有高消光系數(shù)的配體，能產(chǎn)生天線效應(yīng)。鳥苷經(jīng)磷酸化后可形成鳥苷一磷酸（GMP），與其二磷酸鹽和三磷酸鹽類似物相比（圖2-B），是一種更好的能量轉(zhuǎn)移供體。致敏效率：鳥苷一磷酸（GMP）＞鳥苷二磷酸（GDP）＞鳥苷三磷酸（GTP）［9］。此外還有四磷酸鳥苷（ppGpp），為高度磷酸化的鳥苷酸分子，其結(jié)構(gòu)與鳥嘌呤核苷酸具有高度相似性，在G 的5'位點(diǎn)和3'位點(diǎn)附著兩個磷酸基團(tuán)［19］。4個呈鉗型分布的磷酸基團(tuán)能更好的螯合Tb3+。

圖2 結(jié)構(gòu)示意圖

1.5.1 Tb3+與單鏈DNA 對于具有特異性序列的單鏈DNA，如富含G 或富含GT 的單鏈DNA 等，都能增強(qiáng)Tb3+的發(fā)光強(qiáng)度。特別是富含G 的ssDNA 能顯著增強(qiáng)水溶液中Tb3+的發(fā)光強(qiáng)度［4］，如［G3T］5序列被廣泛應(yīng)用于敏化Tb3+發(fā)光［20-22］。［G3T］單元（圖2-C），包含3 個鳥嘌呤堿基和1 個胸腺嘧啶。因?yàn)? 個G 在和Tb3+配位的情況下仍缺乏1 個與Tb3+配位的位點(diǎn)，而1 個T 的磷酸集團(tuán)上的氧恰好能夠提供1 個金屬配位位點(diǎn)，從而能夠和Tb3+配位以達(dá)到充分敏化Tb3+發(fā)光的目的。與傳統(tǒng)的有機(jī)天線配體相比，單鏈DNA 不僅具有良好的水溶性，其還有著結(jié)構(gòu)多樣，生物相容性良好，重現(xiàn)性優(yōu)異等特點(diǎn)。此外，Tb3+還可以促進(jìn)具有富G 序列的ssDNA 折疊成緊湊的G-四鏈體，G-四鏈體（G-quadruplexes，G4）是由DNA 單鏈形成的特殊結(jié)構(gòu)［23］。和鉀離子（K+）、鈉離子（Na+）一樣，Tb3+也能穩(wěn)定G4 的結(jié)構(gòu)，位于G4 的中心，可形成（G4/Tb）結(jié)構(gòu)，G4 也能敏化Tb3+發(fā)光。

1.5.2 Tb3+與雙鏈DNA 包括鋱在內(nèi)的鑭系元素對雙鏈DNA 幾乎沒有穩(wěn)定作用，還會使雙鏈不穩(wěn)定，雙鏈解離之后，能暴露更多的堿基，在一定條件下有利于敏化發(fā)光過程的發(fā)生［16］。另外，雙鏈DNA的簡單檢測方法通常和鋱離子配合物在靜態(tài)淬滅的機(jī)制下得以實(shí)現(xiàn)，這些配合物往往是與具有特殊結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的納米材料復(fù)合成的，如接下來將要介紹的碳點(diǎn)，MOFs 材料等［13，24］。此外，雙鏈序列中如果存在單個堿基錯配的堿基對，Tb3+的發(fā)光也會 增強(qiáng)［9-10］。

1.6 鋱離子與肽

圖3 兩種雙核鋱（III）復(fù)合物結(jié)構(gòu)以及兩種策略（A）和（B）［25］

肽由氨基酸縮合而成，多肽可進(jìn)一步折疊成蛋白質(zhì)。肽可以與鋱離子配合物形成發(fā)光配合物。如圖3 所示，Akiba 等［25］介紹了兩種雙核鋱（III）離子復(fù)合物。當(dāng)鋱（III）離子配合物與肽底物結(jié)合后，底物肽磷酸化時配位鋱離子的肽被利用，鋱（III）離子配合物發(fā)光信號因而改變。有兩種策略，第一種策略（A），構(gòu)建非共軛鋱（III）復(fù)合物Tb2-L1，利用磷酸酪氨酸（phosphotyrosine，pTyr）的苯酚作為天線配體。當(dāng)pTyr 的磷酸鹽與Tb2-L1結(jié)合時，該酚位于Tb3+離子附近。在用紫外光照射時，苯酚吸收光的能量，并將能量轉(zhuǎn)移至發(fā)射中心的Tb3+。不發(fā)生磷酸化時，該結(jié)合不會發(fā)生，因?yàn)榉踊鶊F(tuán)離Tb3+距離太遠(yuǎn)無法進(jìn)行有效的能量轉(zhuǎn)移。第2 種策略（B），Tb3+復(fù)合物（Tb2-Lc1yne）與肽底物偶聯(lián)。具體為Tb2-Lc1yne 通過點(diǎn)擊反應(yīng)與帶有疊氮化合物的底物肽中半胱氨酸殘基的硫醇基團(tuán)實(shí)現(xiàn)共價偶聯(lián)，這是一種更有效的分子內(nèi)的反應(yīng)，能夠很好地克服靜電排斥作用。

1.7 鋱離子的復(fù)合材料

大量研究表明，利用鋱（III）離子及其配合物與納米材料復(fù)合形成的新型稀土納米復(fù)合材料，可以充分利用彼此的功能優(yōu)勢，如利于納米材料本身的發(fā)光性質(zhì)加上稀土元素Tb3+優(yōu)異的發(fā)光性能，經(jīng)摻雜體系或表面的共價修飾、配位、包覆、吸附等不同作用方式，結(jié)合兩種發(fā)光材料的優(yōu)勢，能提高復(fù)合物材料的發(fā)光性能，從而應(yīng)用在熒光分析、生物傳感的領(lǐng)域。稀土納米粒子的制備方法很多：熱分解法、醇鹽法、沉淀法、溶膠法、溶膠-凝膠法和水熱法等。所涉納米材料包括層狀材料、金屬有機(jī)骨架、碳量子點(diǎn)、二氧化硅等。

1.7.1 與層狀材料 陰離子型層狀材料的層狀雙氫氧化物 陰離子型層狀材料的層狀雙氫氧化物（Layered double hydroxide，LDHs）是一類層柱狀化合物，具有帶正電荷的金屬氫氧化物層，且層間填充可交換陰離子。其具有良好的生物相容性，并且細(xì)胞毒性低，可以作為生物活性分子的載體，生物分子通過附著于表面，共沉淀或陰離子交換反應(yīng)嵌入LDHs 材料中。其中層狀稀土氫氧化物（Layered rare-earth hydroxide，LRHs）可以剝落成單層或若干層厚的納米片以進(jìn)一步構(gòu)成各種納米結(jié)構(gòu)而被廣泛研究，其通式為［RE2（OH）5（H2O）n］［Am-］1/m（RE：稀土陽離子，A：陰離子）［8，26-27］。

1.7.2 與金屬有機(jī)骨架 金屬有機(jī)骨架（Metalorganic frameworks，MOFs），是一種有機(jī)-無機(jī)雜化材料，也稱多孔配位聚合物，由金屬陽離子或簇和有機(jī)配體組成［28］。其特征為兼具無機(jī)材料的剛性和有機(jī)材料的柔性，具有新穎的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［29］。其中鑭系金屬有機(jī)骨架（Lanthanide metal-organic frameworks，Ln-MOFs）近年來被廣泛研究［30］。以Tb-MOFs 為代表，具有發(fā)光性質(zhì)并且其結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的延展性、可調(diào)節(jié)性和設(shè)計性，可設(shè)計為熒光探針，用作傳感材料，且大多數(shù)基于熒光淬滅的傳感機(jī)制。

1.7.3 與碳量子點(diǎn) 碳點(diǎn)（Carbon dots，CDs）是一種新興的碳納米材料，具有優(yōu)良的光學(xué)性質(zhì)、較好的生物相容性和低的細(xì)胞毒性，且容易制備。熒光碳點(diǎn)作為一種良好的發(fā)光材料，在生物成像、疾病診斷、化學(xué)傳感和光催化等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景［24］。將Tb3+摻入碳點(diǎn)或者對碳點(diǎn)表面進(jìn)行修飾，基于天線效應(yīng)能改善其熒光特性，可擴(kuò)大碳點(diǎn)在熒光分析和生物傳感中的應(yīng)用范圍。

1.7.4 與二氧化硅 二氧化硅（SiO2）是一種生物相容性強(qiáng)、穩(wěn)定性好的納米材料，其表面易于修飾以附著生物分子。將發(fā)光體系中摻雜二氧化硅納米粒子能夠制備光穩(wěn)定性更好、壽命更長、親水性更好、尺寸更小的探針［31］。例如，通過共價交聯(lián)將鋱 （III）離子配合物包封到無機(jī)主體中，所獲得的SiO2包覆納米顆粒和游離的鋱（III）離子相比，抗光漂白能力也更強(qiáng)。可以應(yīng)用生物標(biāo)記［32］、設(shè)計發(fā)光傳感器［33］等。

1.8 鋱離子及鋱離子復(fù)合物相關(guān)的研究技術(shù)

利用鋱（III）離子配合物獨(dú)特發(fā)光性質(zhì)建立有由Evangelista 等于1991 年應(yīng)用的酶放大鑭系發(fā)光（Enzyme-amplified lanthanide luminescence，EALL）的技術(shù)［2］。它是以酶作為標(biāo)記物或者目標(biāo)分析物，通過酶促反應(yīng)將底物轉(zhuǎn)化成的產(chǎn)物可以與鑭系元素形成發(fā)光螯合物，并結(jié)合時間分辨或者常規(guī)的熒光方法檢測產(chǎn)物螯合物，可用于DNA 雜交測定［34］。其中，時間分辨熒光分析法也叫時間分辨熒光免疫分 析（Time-resolved fluoroimmunoassay，TRFIA），于1979 年創(chuàng)建［35］，是一種非放射性微量分析技術(shù)，也是一種特殊的熒光分析［2］。它是以鋱粒子螯合物作為標(biāo)記物，利用其較長的衰減壽命可以減少來自樣品自然熒光的干擾，消除非特異性散射光。其較高的信噪比，極大提高了檢測分析靈敏度，在生物分析領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛［31］。也有學(xué)者將時間分辨發(fā)光技術(shù)稱為時間門控發(fā)光技術(shù)（Time-gated luminescence，TGL）［17-18，36］，其核心在于通過設(shè)置一定的延遲時間，排除了短壽命的背景熒光造成的信號干擾之后再采集來自長壽命的熒光信號，依此將長壽命熒光與短壽命熒光區(qū)分開來。此外，還有由時間分辨熒光技術(shù)和熒光共振能量轉(zhuǎn)移技術(shù)相結(jié)合的均相時間分辨熒光技術(shù)（Homogeneous timeresolved fluorescence，HTRF）［37-38］，具有不需多次孵育、洗滌和分離等步驟的優(yōu)勢。

2 鋱離子及鋱離子復(fù)合物介導(dǎo)的生物傳感器

2.1 鋱離子介導(dǎo)的核酸生物傳感器

生物傳感器能在復(fù)雜樣品基質(zhì)中能夠檢測到廣譜的分析物質(zhì)，其高度的特異性和敏感性對于檢測而言十分重要［39］。按檢測靶標(biāo)物質(zhì)的不同，基于鋱離子構(gòu)建的生物傳感器也具有多樣性。從信號轉(zhuǎn)換器的角度來看，大多數(shù)為發(fā)光生物傳感器。因?yàn)殇堧x子的特殊發(fā)光性質(zhì)，根據(jù)其發(fā)光的變化建立的傳感器主要類型有“turn-on”型、“turn-off”型等?！皌urn-on”型即是根據(jù)靶標(biāo)物質(zhì)誘導(dǎo)的發(fā)光信號增強(qiáng)的原理來實(shí)施檢測，“turn-off”型則是基于靶標(biāo)物質(zhì)引起發(fā)光信號的減弱甚至淬滅的機(jī)理。

2.1.1 鋱離子介導(dǎo)的DNA 生物傳感器 2007 年，Chen 等［32］通過反相微乳液法制備含有鋱配合物的二氧化硅納米粒子，用二氧化硅包覆的納米鋱配合物的發(fā)光強(qiáng)度相當(dāng)于340 個游離的的鋱配合物的發(fā)光強(qiáng)度，并且熒光壽命達(dá)到1.5 ms，可用于時間分辨熒光分析。如圖4-A 所示，鋱離子配合物由作為光吸收天線的基于喹諾酮的染料分子（Cs124）和基于聚氨基羧酸鹽（DTPA）的螯合劑，以及鑭系元素鋱離子組成。其中，染料分子用于捕獲激發(fā)光并通過熒光能量轉(zhuǎn)移使鑭系離子發(fā)光敏化，發(fā)光增強(qiáng)約175 000 倍（4-B）。而聚氨基羧酸鹽溶解性好且與鑭系元素有較高的結(jié)合常數(shù)。通過簡單的偶聯(lián)反應(yīng)避免了傳統(tǒng)方法合成配體的復(fù)雜環(huán)節(jié)。其后，該配合物可用于標(biāo)記DNA 和另一捕獲探針DNA 固定在磁性微球上，目標(biāo)DNA 可以與二者互補(bǔ)配對從而進(jìn)行DNA 夾心雜交實(shí)驗(yàn)，不同濃度的目標(biāo)DNA 對該鋱復(fù)合物具有良好的熒光響應(yīng)，檢測限達(dá)到 8× 10-11

圖4 Tb3 +與喹諾酮、DTPA 形成的復(fù)合以及能量轉(zhuǎn)移機(jī)制原理圖［32］

mol/L。從檢測的靈敏度來看，該方法比熒光素染料異硫氰酸酯（FITC）溶液光譜測量提高至少100 倍。

2012 年，Wu 等［40］利用普利沙星（Prulifloxacin，PUFX）與Tb3+形成的絡(luò)合物PUFX-Tb3+設(shè)計了檢測鯡魚精子DNA（hsDNA）的發(fā)光傳感器，檢測范圍3.0×10-9- 1.0×10-6g/mL，檢測限低至 2.1× 10-9g/mL。其中每個Tb3+的8 個配位點(diǎn)可以被PUFX的O 和溶劑中的H2O 分子的O 飽和。加入DNA 以后，PUFX-Tb3+能夠嵌入堆疊的DNA 堿基對中，形成三元復(fù)合物PUFX-Tb3+-DNA，增加了復(fù)合物的剛性，并減少因?yàn)橹車橘|(zhì)水分子的O-H 振動造成的無輻射能量損失?；邙B嘌呤的敏化作用及分子間能量轉(zhuǎn)移機(jī)制，鋱離子的發(fā)光強(qiáng)度約10 倍。

2016 年，Soltani 等［41］構(gòu)建了基于鋱-達(dá)氟沙星（Tb3+-Dano）復(fù)合物的熒光探針，用以測定小牛胸腺DNA（Calf thymus DNA，ctDNA），檢測限為8 ng/mL。Tb3+-Dano 具有良好的水溶性和穩(wěn)定性。當(dāng)加入ctDNA 時，Tb3+-Dano 系統(tǒng)的熒光強(qiáng)度大大增強(qiáng)。該熒光探針用于測定納克級的ctDNA。

2018 年，Liu 等［24］通過水熱法制備摻雜有鋱（III）的碳點(diǎn)（Tb-CD）（圖5）。所得Tb-CD 的粒徑小（3 nm）而均勻，熒光性能良好，能夠光致發(fā)光并且具有優(yōu)異的水分散性。Tb-CD 具有許多功能性極性基團(tuán)，主要是-COOH、-OH 和-NH2，因而可以使Tb-CD 在水溶液中保持穩(wěn)定。其官能團(tuán)與雙鏈ctDNA 具有強(qiáng)烈的相互作用，能導(dǎo)致熒光淬滅。通過計算結(jié)合常數(shù)和熱力學(xué)常數(shù)證明了該淬滅機(jī)制為靜態(tài)淬滅?；谠撓到y(tǒng)熒光信號的相對變化，建立了一種測定雙鏈ctDNA 的熒光淬滅方法，檢測限為53 ng/mL。

圖5 Tb-CDS 檢測雙鏈ctDNA 的原理圖［24］

2015 年，Jiang 等［20］基于最優(yōu)天線配體［G3T］5敏化Tb3+發(fā)光的原理設(shè)計了一種檢測目標(biāo)DNA 的傳感器（圖6）。通過識別信號放大和降低背景兩種方式來提高DNA/ Tb3+生物體系的檢測靈敏度。其中核酸信號放大策略為自催化多循環(huán)放大技術(shù)，它包括核酸外切酶（III）和Zn2+依賴性8-17 型DNAzyme（DNA 切割核酶）輔助的目標(biāo)循環(huán)放大過程，而信號背景的降低是通過引入Fe3O4磁納米粒子，經(jīng)磁分離步驟能成功地將信號分子從復(fù)雜樣品溶液中分離出來，最終獲得純［G3T］5序列，避免了非特異性敏化從而降低背景值，并且還提高了該實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性和穩(wěn)定性。

圖6 ［G3T］5 敏化Tb3+發(fā)光檢測目標(biāo)DNA 原理圖［20］

2.1.2 鋱離子介導(dǎo)的microRNA 傳感器 2015 年，Zhang 等［42］利用了單鏈致敏的Tb3+的獨(dú)特?zé)晒馓匦裕陔p特異性核酸酶輔助（Duplex-specific nuclease，DSN）靶循環(huán)可無標(biāo)記檢測腫瘤標(biāo)志物microRNA-21，檢測限低至8 fM。如圖7-A 所示，設(shè)計的捕獲探針由兩部分組成，一部分是可與microRNA-21 結(jié)合的部分固定在磁珠上，能夠形成DNA-RNA 異源雙鏈；另一部分則為信號放大部分。DSN 能夠?qū)NA-RNA 雜交體中的DNA 進(jìn)行切割，能水解捕獲探針上與靶結(jié)合的部分，從而釋放microRNA-21，其后與新的捕獲探針雜交，進(jìn)入循環(huán)過程。通過磁分離得到捕獲探針的信號輸出部分，放大由發(fā)光增強(qiáng)的Tb3+產(chǎn)生的熒光信號。

2018 年，Chi 等［14］構(gòu)建了基于G-四鏈體敏化發(fā)光Tb3+的發(fā)光探針，用于microRNA-21 的發(fā)光傳感檢測，檢測限低至0.108 pM。該方法能區(qū)分microRNA 其他的家族成員，且在癌細(xì)胞提取物中也能發(fā)揮作用。此外，通過改變相應(yīng)的DNA 探針還可以應(yīng)用于其他microRNA 或適配體的檢測。其原理如圖7-B 所示，microRNA 存在時，其作為引發(fā)聚合反應(yīng)的觸發(fā)子，借助末端脫氧核苷酸轉(zhuǎn)移酶的核苷酸底物特異性，催化鳥嘌呤形成富含G 的核苷酸序列。在核苷酸底物的組合為60%的dGTP 和40%的dATP 時，Tb3+促進(jìn)富含G 的核苷酸序列進(jìn)一步形成G-四鏈體，并且Tb3+被包封在四鏈體核的中心腔中，鳥嘌呤通過能量轉(zhuǎn)移增強(qiáng)Tb3+的發(fā)光。

2.2 鋱離子介導(dǎo)的金屬離子傳感器

2015 年，Chen 等［43］建立了一種由硫磺素T（Thioflavin T，ThT）和鋱離子介導(dǎo)的檢測Tb3+的熒光生物傳感器（圖8）。水溶性ThT 是一種G-四鏈體的特異性染料，對G-四鏈體結(jié)構(gòu)有明顯的選擇性，能誘導(dǎo)G-四鏈體產(chǎn)生穩(wěn)定的發(fā)光。在ThT 和鉀離子存在的體系中，DNA 折疊形成平行G-四鏈體，能夠穩(wěn)定G-四鏈體結(jié)構(gòu)，彼此之間具有強(qiáng)相互作用，使得熒光強(qiáng)度增強(qiáng)。在引入鋱離子后，鋱離子競爭結(jié)合G-四鏈體導(dǎo)致其構(gòu)象的改變，釋放了G-四鏈體上的ThT，從而引起ThT 發(fā)射熒光強(qiáng)度的減弱，根據(jù)熒光信號的變化從而超痕量檢測Tb3+，Tb3+濃度與熒光強(qiáng)度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，檢測范圍在1.0 pmol/L-10.0 μmol/L，檢測限為0.55 pmol/L。

圖7 兩種鋱介導(dǎo)的microRNA-21 傳感器原理圖［14，42］

圖8 ThT 和Tb3+介導(dǎo)的檢測Tb3+傳感器原理圖［43］

2016 年，Pal 等［44］設(shè)計了一種新的基于Tb3+的3D多孔MOF（Porous metal organic frameworks，PMOF），通過在紫外光下觀察到的熒光猝滅，選擇性地和可逆地感測二甲基甲酰胺（Dimethilformamide，DMF）懸浮液中的 Fe3+。檢測原理基于激發(fā)能量的競爭吸收機(jī)制。2018 年，Wang 等［29］提出的新型發(fā)光Tb-MOF，通過將三唑單元錨定在其骨架上，改善了其發(fā)光傳感特性，提高傳感性能，能同時檢測Fe3+、Cr2O72-、CrO42-和MnO4-等重金屬離子。2018 年，Xue 等［17］利用DNA 致敏的Tb（DNA/Tb）作為無標(biāo)記、多功能的“化學(xué)鼻/舌”，結(jié)合時間門控發(fā)光檢測技術(shù)，開發(fā)了基于發(fā)光壽命的傳感器。該團(tuán)隊篩選出一系列富含鳥嘌呤/胸腺嘧啶（G/T）的DNA 配體，最終得到3 種DNA/Tb 傳感器，來檢測49 種金屬離子包括堿金屬離子，堿土金屬離子，過渡/后過渡金屬離子和鑭系元素離子。簡言之，3種配體能夠調(diào)節(jié)天線效應(yīng)，對廣泛的金屬離子產(chǎn)生強(qiáng)烈不同的鋱發(fā)光響應(yīng)。利用時域來區(qū)分長壽命發(fā)光和短壽命發(fā)光。

2.3 鋱離子介導(dǎo)的蛋白質(zhì)傳感器

Tb3+配合物與肽結(jié)合能檢測特定的蛋白質(zhì)，如細(xì)胞周期蛋白A。1、4、7 和10-四氮雜環(huán)十二烷-1，4，7，10-四羧酸（簡稱DOTA）是一種有機(jī)多齒配體，其與鋱離子的配合物如圖9-A 所示。Pazos 等［45］設(shè)計了一種能夠與細(xì)胞周期蛋白A 特異性結(jié)合的肽，將摻入的鋱離子螯合大環(huán)DOTA（DOTA［Tb3+］復(fù)合物）引入肽支架中（圖9-B）。鋱螯合八肽與細(xì)胞周期蛋白A 的結(jié)合溝（Cyclin binding groove，CBG）相互作用，使得摻入細(xì)胞周期蛋白結(jié)合態(tài)的鋱離子距離色氨酸（Tryptophan，Trp）不超過15-20?，Trp（217）能夠用作天線，能夠敏化鋱離子，通過分子間敏化引起能量轉(zhuǎn)移，因此能夠構(gòu)建檢測細(xì)胞周期蛋白A 的熒光傳感器，檢出限約為30 μg/mL。

2.4 鋱離子介導(dǎo)的酶活性傳感器

圖9 鋱離子介導(dǎo)的蛋白質(zhì)傳感器［45］

2014 年，Akiba 等［25］基于鋱（III）配合物能與肽底物結(jié)合，底物肽發(fā)生磷酸化時，即將一個磷酸基團(tuán)加到蛋白質(zhì)時，與鋱離子發(fā)生配位作用，肽與鋱離子配合物形成發(fā)光配合物作為信號輸出基團(tuán)會因此發(fā)生改變。利用這一機(jī)制，可實(shí)時監(jiān)測酪氨酸磷酸化。蛋白質(zhì)磷酸化與去磷酸化是生物體中重要的調(diào)節(jié)機(jī)制，能夠介導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，其與許多疾病密切相關(guān)。

前面所提的第一種策略非共軛鋱（III）復(fù)合物Tb2-L1雖能確保了最小的背景信號，但是Tb2-L1與底物肽之間的作用屬于靜電吸引作用而不是配位作用。當(dāng)?shù)孜镫膸д姾蓵r，該分子間的締合無法進(jìn)行，檢測信號非常弱。而第2 種策略Tb3+復(fù)合物（Tb2-Lc1yne）與肽底物偶聯(lián)，這作為一種更有效的分子內(nèi)的反應(yīng)，能夠很好地克服靜電排斥作用。在實(shí)時監(jiān)測酪氨酸磷酸化時，基于時間分辨光譜法，能夠進(jìn)行詳細(xì)的定量分析，靈敏度和信噪比更高。

2018 年，Han 等［46］基于時間分辨發(fā)光技術(shù)（TRL）開發(fā)了一種無標(biāo)記生物傳感器，用于乙酰化介導(dǎo)的肽/DNA 相互作用和Tb3+/DNA 發(fā)光探針分別連續(xù)檢測組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶（HAT）和組蛋白去乙?；福℉DAC）的酶活性。其原理為富含鳥嘌呤（G）的ssDNA 敏化的Tb3+發(fā)光作為輸出信號，聚陽離子底物肽以高親和力與DNA 相互作用，隨后取代Tb3+消除發(fā)光信號，以此反映HAT 或者HDAC 的酶活性。檢測HAT 的線性范圍為0.2-100 nmol/L，檢測限為0.05 nmol/L；連續(xù)監(jiān)測HDAC 催化的脫乙?；?，線性范圍為0.5-500 nmol/L，檢測限為0.5nmol/L。

2.5 鋱離子介導(dǎo)的其他小分子傳感器

2.5.1 鋱離子與碳量子點(diǎn)相結(jié)合介導(dǎo)的傳感器

2.5.1.1 鋱離子與碳量子點(diǎn)相結(jié)合介導(dǎo)ATP 傳感器 2016 年，Xu 等［47］先以含多羧基的葡萄糖為碳源，與鈍化顆粒合成的碳點(diǎn)（CDs）。再用微波的方法，將氯化鋱水溶液中的三價鋱離子通過與羧基配合化學(xué)組裝到碳點(diǎn)上形成Tb-CDs，形成具有強(qiáng)熒光強(qiáng)度的鋱離子能官能化碳點(diǎn)，并結(jié)合金納米粒子（Gold nanoparticles，AuNP），隨之構(gòu)建了AuNP-Tb-CD 熒光適配體平臺以用于測定靶ATP（圖10-A）。其檢測基本原理為，當(dāng)不存在ATP 時，即便有ATP 適配體存在的情況下，金納米顆粒傾向于在高鹽狀態(tài)下聚集，而在該體系中引入靶ATP 時，ATP 和適配體形成適配體-ATP 復(fù)合物抑制了金納米粒子的聚集，分散的金納米粒子通過熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）能有效淬滅熒光信號，從而構(gòu)建一種基于熒光淬滅機(jī)制的檢測方法。

圖10 鋱離子與碳量子點(diǎn)相結(jié)合介導(dǎo)的傳感器

2.5.1.2 鋱離子與碳量子點(diǎn)相結(jié)合介導(dǎo)ppGpp 傳感器 ppGpp 為高度磷酸化的鳥苷酸分子，在基因表達(dá)中發(fā)揮著重要作用。2018 年，Chen 等［19］通過兩個步驟來制備鋱修飾的熒光CD（CDs-Tb），首先通過水熱法制備發(fā)藍(lán)光的CDs，然后在CDs 的表面鋱離子與羧基和氨基基團(tuán)配合形成CDs-Tb（圖10-B）。ppGpp 存在時，ppGpp 含有4 個磷酸基團(tuán)，能提供與鋱離子配位位點(diǎn)，并且其類似于鉗狀的結(jié)構(gòu)能夠螯合鋱離子，產(chǎn)生天線效應(yīng)，從而提高了鋱離子的發(fā)光強(qiáng)度。并且一般的核苷酸如GDP、GMP 等對CDs-Tb 的熒光發(fā)射幾乎沒有影響，在復(fù)雜樣品中具有高選擇性。Tb-CDs 因?yàn)樵谒芤褐械臒晒獍l(fā)射峰保持不變可作 內(nèi)置參考信號，Tb3+結(jié)合ppGpp 后表現(xiàn)出的增強(qiáng)的熒光發(fā)射信號作為熒光響應(yīng)信號。該團(tuán)隊利用Tb3+的天線效應(yīng)和CD 的特異識別能力的協(xié)同效應(yīng)，構(gòu)建了一種鋱修飾碳點(diǎn)（CDs-Tb）的熒光比率探針，高靈敏度、高選擇性檢測ppGpp，檢測限低至50 nmol/L。這種比率型熒光探針的優(yōu)勢體現(xiàn)在既可以保留CDs 的固有熒光還能保持CDs 自身與Tb3+配位的能力，避免了背景熒光的干擾，提高了檢測靈敏度。該團(tuán)隊還因此構(gòu)建了基于CDs-Tb 的紙張傳感器用于ppGpp 的可視化檢測。

2.5.2 鋱離子與SiO2相結(jié)合介導(dǎo)的葡萄糖傳感器 2018 年，Yu 等［33］利用溶膠-凝膠方法合成表面改性的SiO2納米粒子，制備了以鋱為中心的雜化-有機(jī)無機(jī)材料，納米晶體的平均直徑為40 nm，進(jìn)而建立了基于鑭系雜化網(wǎng)絡(luò)的葡萄糖傳感器，葡萄糖的檢測限為3.4 μmol/L。在溶膠-凝膠基質(zhì)中將戊二酸酐引入獲得羧酸酯基團(tuán)，能與中心金屬離子Tb3+配位，和2-羧基苯基硼酸（配位配體）均被包封，建立了新的混合結(jié)構(gòu)。其光致發(fā)光的結(jié)果表明了該材料能夠提高Tb3+在水溶液中的發(fā)光性能，有強(qiáng)烈的綠色發(fā)光。而且提高了該復(fù)合材料熱穩(wěn)定性，Si-O 共價相互作用的強(qiáng)大聯(lián)系可以增強(qiáng)納米結(jié)構(gòu)，分解溫度提高，還具有傳感可重用性。

2.5.3 鋱離子與吡啶二羧酸配合介導(dǎo)的傳感器 吡啶二羧酸（Dipicolinic acid，DPA）又稱喹啉酸，大量存在于細(xì)菌的芽孢中［48］。吡啶二羧酸陰離子作為通用成分，能敏化Tb3+，形成強(qiáng)烈的發(fā)光螯合物［49］。而且吡啶二羧酸陰離子與Tb3+形成的螯合物比與Eu3+形成的螯合物更穩(wěn)定，發(fā)出的信號更強(qiáng)［12］。

1997 年，Rosen 等［50］發(fā)現(xiàn)Tb3+和孢子殼中的吡啶二羧酸鈣反應(yīng)形成哌啶甲酸鋱（III）螯合物。基于Tb3+光致發(fā)光的原理，該復(fù)合物產(chǎn)生強(qiáng)烈且獨(dú)特的光致發(fā)光光譜，提高了Tb3+單獨(dú)存在時的光致發(fā)光強(qiáng)度，初步構(gòu)建了一種檢測細(xì)菌孢子的方法。

2017 年，Wang 等［51］在時間分辨熒光檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上，建立了一種新型雙鑭系元素（鋱和銪）時間分辨的熒光比率型探針。將構(gòu)建好的Tb/DPA@SiO2封裝到自組裝Eu/GMP 配位聚合物（CPs）的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，形成Tb/DPA@SiO2-Eu/GMP 配合物用以檢測炭疽中DPA 的濃度。如圖11 所示，其原理為Tb/DPA@SiO2基于DPA 的敏化作用可以發(fā)出強(qiáng)烈綠色熒光，在DPA 存在下，通過排除Eu/GMP CPs 中的水，形成Tb/DPA@SiO2-Eu/GMP/DPA 能顯著增強(qiáng)Eu 的紅色熒光。其中Tb/DPA@SiO2用作穩(wěn)定的參考信號，Eu/GMP CPs 用作敏感響應(yīng)信號。除了檢測DPA，Tb3+與DPA 形成的絡(luò)合物還可以應(yīng)用于常規(guī)分析某些化合物，例如多巴胺，它在中樞和外周神經(jīng)系統(tǒng)中起重要作用。2012年，Wabaidur 等［52］使用二元鋱絡(luò)合物Tb3+-DPA 的熒光增強(qiáng)實(shí)現(xiàn)了多巴胺的熒光測定，檢測限和定量限分別為1.2×10-8mol/L 和4.1×10-8mol/L。此外，2，6-吡啶二羧酸及其衍生物還可以結(jié)合EALL 和時間分辯熒光分析技術(shù)用于評價酯酶的選擇性和靈敏 檢測［53］。

2.5.4 鋱離子與銀離子介導(dǎo)的發(fā)光傳感器 通過引入金屬離子例如銀離子（Ag+），與Tb3+競爭結(jié)合G-四鏈體，以一種競爭結(jié)合機(jī)制，根據(jù)靶標(biāo)誘導(dǎo)G4/Tb 復(fù)合物的發(fā)光變化，可用于可視化傳感檢測。Ag+通過與G 的O6 和N7 配位破壞G-四鏈體結(jié)構(gòu)，抑制Tb/G4-血紅素DNA 酶的過氧化物酶樣活性。2016 年，Tang 等［54］開發(fā)了一種檢測硫化氫（H2S）的比色傳感器。H2S 存在時，能夠競爭性結(jié)合Ag+，生成更穩(wěn)定的Ag2S 沉淀，Tb/G4-血紅素DNA 酶的過氧化物酶樣活性得以恢復(fù)。而由Tb3+促進(jìn)的Tb/G4-血紅素DNA 酶的活性，比常用鉀離子（K+）和鈉離子（Na+）促進(jìn)的G4-血紅素DNA 酶活性更高，可以催化H2O2氧化，使ABTS 生成有色產(chǎn)物ABTS·+。同樣由Ag+介導(dǎo)的破壞G4/Tb 結(jié)構(gòu)，Ag+與Tb3+競爭結(jié)合G-四鏈體上的G，Ag+通過與G 的O6 和N7 配位增加了鳥嘌呤堿基的剛性，改變了鳥嘌呤的激發(fā)態(tài)，引起能量從核堿基到Tb3+更有效的轉(zhuǎn)移［10］，銀離子的加入起到了熒光增強(qiáng)的效應(yīng)。

圖11 基于Tb/DPA@SiO2-Eu/GMP 復(fù)合物的DPA 檢測熒光探針的示意圖［51］

2014 年，Zhang 等［21］利用最優(yōu)單鏈［G3T］5序列作為Tb3+的天線配體，使Tb3+的發(fā)光效率提高3 個數(shù)量級。如圖12 所示，通過Ag+和Cys 介導(dǎo)其可逆發(fā)光變化設(shè)計了一種邏輯門和過氧化氫的傳感器。c［G3T］5序列是一條與［G3T］5序列互補(bǔ)配對的富C 序列，二者形成雜交鏈。銀離子因?yàn)槟軌蛐纬筛鼮榉€(wěn)定的C-Ag+-C 的復(fù)合結(jié)構(gòu)將雙鏈［G3T］5/c［G3T］5打開，使得［G3T］5序列釋放從而敏化Tb3+發(fā)光，而Cys 的加入則能競爭結(jié)合Ag+從而破壞C-Ag+-C，使得c［G3T］5重新與［G3T］5雜交，發(fā)光系統(tǒng)則恢復(fù)“關(guān)閉”狀態(tài)。又因?yàn)檫^氧化氫能將半胱氨酸氧化成胱氨酸，從而逆轉(zhuǎn)了半胱氨酸介導(dǎo)的發(fā)光降低現(xiàn)象?；赥b3+-DNA 的發(fā)光探針以及Tb3+、Ag+、［G3T］5/ c［G3T］5的傳感系統(tǒng)，設(shè)計了一種“turn-on”型的過氧化氫發(fā)光傳感器。

綜上所述，基于天線效應(yīng)的基本原理和靶標(biāo)誘導(dǎo)發(fā)光信號值的變化，由鋱離子及其復(fù)合物介導(dǎo)的生物傳感器涵蓋從生物大分子核酸、蛋白質(zhì)到各種小分子靶標(biāo)物質(zhì)的檢測，涉及領(lǐng)域從食品安全到環(huán)境監(jiān)測。與鑭系元素獨(dú)有的時間分辨熒光的檢測手段相結(jié)合，其檢測不僅具有高選擇性，和傳統(tǒng)的方法相比，在靈敏度方面也有很大的提升，檢測限可低至皮摩級別。但是其大多數(shù)屬于基于液相以及體外的檢測方法，對于需要在生物體內(nèi)進(jìn)行檢測的靶標(biāo)物質(zhì)還有極大研究空間，尤其是對其毒性的研究。此外，由于檢測時需要依靠固定儀器設(shè)備的使用，在實(shí)際應(yīng)用方面有一定的局限性。其具體產(chǎn)品的開發(fā)方面還有很大的發(fā)展空間。例如，便攜式檢測儀，商業(yè)化的試劑盒以及試紙條等對于實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物質(zhì)的快速、靈敏、原位檢測具有十分重要的意義

圖12 由Ag+和半胱氨酸調(diào)節(jié)的Tb3+發(fā)光傳感器原理圖［21］

3 在藥物遞送、細(xì)胞成像、癌癥診斷及治療方面的應(yīng)用

3.1 在藥物遞送過程中的潛在應(yīng)用

游離的Ln3+在pH 約為9 時，容易形成氫氧化物，在生物系統(tǒng)中顯示出一定的毒性。鑭系元素在和合適的配體進(jìn)行配合之后形成的鑭系復(fù)合物能夠適當(dāng)?shù)亟档投拘浴?017 年，Ju 等［6］通過水熱法合成NO3

-型LTbH（NO3-LTbH），通過陰離子交換法將阿司匹林（縮寫ASA）插入層狀氫氧化鋱（LTbH）中，形成一種新型的復(fù)合材料，顯著增強(qiáng)了Tb3+的發(fā)光。因?yàn)锳SA 陰離子和Tb3+中心之間能進(jìn)行有效的能量轉(zhuǎn)移。該復(fù)合材料用來檢測ASA，復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性高。用磺酰羅丹明B（Sulforhodamine B，SRB）比色法觀察到細(xì)胞毒性低，還能在一定的緩沖體系中進(jìn)行ASA 藥物持續(xù)釋放，對藥物有明顯的緩釋作用，可維持約36 h。對于半衰期短的阿司匹林而言，有利于延長該治療劑的持續(xù)時間。因而在生物系統(tǒng)檢測和藥物遞送領(lǐng)域都有著潛在的應(yīng)用。

3.2 在細(xì)胞成像方面的應(yīng)用

細(xì)胞成像技術(shù)對于醫(yī)學(xué)研究具有重要意義，細(xì)胞內(nèi)微小的變化便能引起細(xì)胞功能障礙。用高量子產(chǎn)率的熒光團(tuán)制備熒光探針，能夠?qū)崿F(xiàn)對細(xì)胞內(nèi)活性物質(zhì)如核酸、蛋白質(zhì)、陰陽離子、小分子物質(zhì)的實(shí)時原位監(jiān)測，在細(xì)胞成像技術(shù)中具有重要地位［55］?；阼|系絡(luò)合物優(yōu)異的光譜特征，鑭系元素絡(luò)合物還可用來研究多重成像和多光子顯微鏡的生物探針的制備。Tb3+構(gòu)建的探針可長期用于細(xì)胞過程的多光子成像，細(xì)胞攝取能力良好，能消除細(xì)胞培養(yǎng)基中光散射的干擾和生物分子的自發(fā)熒光，容易儲存，并且可以光降解。這些特點(diǎn)使得其特別適用于信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，癌細(xì)胞分裂過程中的胞質(zhì)分裂，抗體綴合和光漂白后熒光恢復(fù)的研究［56］。

3.2.1 Tb 構(gòu)建的探針用于生物硫醇的分子成像 Zhou 等［57］設(shè)計并合成了一種新型的基于鋱發(fā)光雜化無機(jī)/有機(jī)探針，用于生物硫醇的分子成像。分散在水中的介孔二氧化硅納米球用作共價連接的含鑭系元素有機(jī)結(jié)構(gòu)的合適主體。鑭系元素結(jié)構(gòu)與磺酸酯單元連接，該磺酸酯單元在生物硫醇存在下被裂解以產(chǎn)生鋱發(fā)射。不僅如此，該智能探針可滲透細(xì)胞膜，在人胚腎細(xì)胞和人肺腺癌細(xì)胞中存在半胱氨酸和谷胱甘肽時選擇性地發(fā)光，并且能定量檢測，得到生物硫醇的檢測限。其中半胱氨酸為36.8 nmol/L，谷胱甘肽為32.5 nmol/L，同型半胱氨酸為

34.7 nmol/L。

3.2.2 Tb 構(gòu)建的探針用于癌細(xì)胞成像及治療 Bui 等［58］使用時間采樣壽命成像顯微鏡技術(shù)固定T24癌細(xì)胞，能觀察在單光子或雙光子激發(fā)下鑭系元素離子的毫秒級發(fā)光壽命成像，以檢測細(xì)胞內(nèi)黏度的空間和時間變化。該團(tuán)隊通過設(shè)計對黏度敏感的發(fā)光鋱配合物用以探測胞內(nèi)環(huán)境。該方法獨(dú)創(chuàng)性在于依靠黏度引起發(fā)光壽命的變化，構(gòu)建了直接測量細(xì)胞內(nèi)黏度的熒光探針，可在所研究的復(fù)合物的黏性介質(zhì)中觀察到量子產(chǎn)率和發(fā)光壽命均增加4 倍，黏度在較寬范圍（0.6-1 200 cP）內(nèi)的壽命為0.23-0.89 ms，達(dá)豪秒級，與迄今為止其他已知分子相比具有明顯優(yōu)勢。大量研究表明DTPA 或DOTA 的水溶性Eu（III）和Tb（III）雙鑭系螯合物制作的生物探針具有高靈敏度，還有高抗氧化活性。例如，與小牛胸腺DNA 相互作用，可以作為癌癥細(xì)胞的細(xì)胞成像探針［5］。2016 年，Dasari 等［59］利用雙光敏化的穩(wěn)定的Eu（III）和Tb（III）復(fù)合物，用以生物成像和光響應(yīng)性治療劑。光響應(yīng)治療劑在癌癥的治療過程中，能夠?qū)崿F(xiàn)對藥物的輸送和時間控制。該團(tuán)隊使用共聚焦熒光顯微技術(shù)觀察癌細(xì)胞HeLa，MCR-7 和H460 癌細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)該復(fù)合探針可定位細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核。并且在光照射下產(chǎn)生活性氧導(dǎo)致光細(xì)胞毒性使得細(xì)胞凋亡。這種有效的光致DNA 裂解十分適合于癌細(xì)胞的診斷光療，有著成為治療癌癥藥物分子的可能性。

一般而言，許多藥物分子與DNA 的相互作用可能存在溝槽結(jié)合和嵌插兩種作用方式。并且部分嵌入劑可以針對性地應(yīng)用于治療乳腺癌或血癌等癌癥［5］。鑭系金屬離子、鑭系金屬離子配合物其與DNA 發(fā)生作用可能屬于嵌插作用，能夠選擇性地嵌入到核堿基對中。而有的研究通過研究DNA 黏度表明其與DNA 的作用模式并非嵌插作用而是溝槽結(jié)合［13］。因此，如果鑭系配合物作為藥物分子裂解DNA 以誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞的凋亡，其具體結(jié)合機(jī)制有待進(jìn)一步研究，但毫無疑問其成為抗腫瘤新藥物的潛在性。

4 總結(jié)與展望

近些年研究者們對于鋱（III）離子配合物的研究工作多基于光致發(fā)光的原理，充分利用其優(yōu)良的光學(xué)特性，構(gòu)建發(fā)光探針及發(fā)光傳感器，可以檢測包括核酸、蛋白質(zhì)、金屬離子、小分子等各種靶標(biāo)物質(zhì)，在生物傳感器的領(lǐng)域應(yīng)用廣闊。但是關(guān)于其能量轉(zhuǎn)移的機(jī)制以及供體與受體的相互作用十分復(fù)雜，有待進(jìn)一步研究。鋱（III）離子及其配合物與各種納米材料的結(jié)合形成的復(fù)合物具有多樣化的合成及表征形式，可獲得出色的復(fù)合材料。充分結(jié)合二者的優(yōu)勢往往可以改善其性質(zhì)，特別是其發(fā)光性質(zhì)，可應(yīng)用在染料、發(fā)光材料以及光功能材料、光學(xué)傳感等領(lǐng)域。例如，鋱（III）離子、熒光碳量子點(diǎn)的相結(jié)合形成的新型發(fā)光材料，可應(yīng)用于活細(xì)胞的多色成像，并且細(xì)胞毒性低；還有鋱金屬有機(jī)凝膠，這種新型凝膠納米材料應(yīng)用于電化學(xué)發(fā)光領(lǐng)域，可作為電化學(xué)發(fā)射極的潛在材料。相比于基于光致發(fā)光的研究，其在電化學(xué)發(fā)光領(lǐng)域的研究還處于起步階段，具有一定的研究潛力與應(yīng)用價值。

鋱（III）離子配合物的研究還有利于醫(yī)學(xué)和生物學(xué)的發(fā)展。鋱（III）離子與層狀材料形成的層狀氫氧化鋱可用于藥物遞送，并且氫氧化鋱納米顆粒還有促血管生成的特性，能增強(qiáng)傷口的愈合，對于心血管疾病的治療策略有待進(jìn)一步研發(fā)。但值得注意的是，雖然目前的研究表明層狀氫氧化鋱是可以逐漸降解的，但單獨(dú)的鋱（III）離子暴露在消化道中，具有一定細(xì)胞毒性。鋱（III）離子在體內(nèi)靶器官為肝、肺和脾。對其在藥物載體的應(yīng)用方面需要進(jìn)行更詳細(xì)的安全性評估。此外，雖然研究多集中在LRHs的陰離子交換方面，但是其還能將中性絡(luò)合物原位插入LRHs 結(jié)構(gòu)中，再將鋱離子配合物接枝在剝落的納米薄片上，如構(gòu)建高靈敏度、實(shí)時的光學(xué)溫度傳感器［8］，揭示了鋱離子復(fù)合物在光學(xué)傳感方面的更加廣闊的發(fā)展前途。在生物成像方面，在熒光染料選擇上，相比于傳統(tǒng)的有機(jī)熒光染料，有機(jī)鑭系元素材料不僅光穩(wěn)定性高，水溶性良好，還具有在納秒范圍內(nèi)的短壽命激發(fā)態(tài)的特點(diǎn)。這種經(jīng)修飾后的復(fù)合物具有高三光子截面和低細(xì)胞毒性，在體外活細(xì)胞成像中顯示出多光子誘導(dǎo)的f-f 發(fā)射，可多重成像。這對于細(xì)胞的多重成像和多光子顯微鏡探針的制備具有一定的指導(dǎo)意義。

在癌癥治療及診斷方面，由于DNA 作為大多數(shù)抗癌治療的靶分子，包含鋱（III）離子在內(nèi)的鑭系配合物與DNA 的結(jié)合，其作為抗腫瘤藥物的潛在試劑，對于腫瘤細(xì)胞的選擇性，其療效、以及是否有副作用，是開發(fā)新型藥物分子的基礎(chǔ)，對于靶向抗癌藥物的開發(fā)具有十分重要的研究意義，同時對于在生物體治療疾病的本質(zhì)也有著深遠(yuǎn)意義。