摘要 雙光子激發(fā)的熒光具有穿透深度大、空間分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，在生物成像領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。隨著相關(guān)研究的不斷創(chuàng)新、深入和拓展，有機(jī)偶極和四極分子材料因受自身結(jié)構(gòu)和性能的限制，不能表現(xiàn)出令人期望的雙光子激發(fā)熒光性能，并且在結(jié)構(gòu)和性能上的可設(shè)計(jì)性和調(diào)控性較小，因此越來(lái)越無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。 與有機(jī)偶極和四極分子材料相比，有機(jī)八極分子材料具有明顯的優(yōu)勢(shì)，體現(xiàn)在可以通過(guò)對(duì)多個(gè)結(jié)構(gòu)單元（中心核、分枝和π共軛橋）進(jìn)行豐富多樣的結(jié)構(gòu)“裁剪”，借助分枝之間的相互耦合作用大幅提升雙光子吸收截面，同時(shí)進(jìn)一步優(yōu)化分子的水溶性、細(xì)胞滲透性、生物相容性和激光穩(wěn)定性等。 因此，近年來(lái)，越來(lái)越多的研究聚焦于有機(jī)八極分子雙光子激發(fā)熒光材料。 通過(guò)重點(diǎn)綜述近5年國(guó)內(nèi)外有機(jī)八極分子雙光子激發(fā)熒光材料的研究進(jìn)展，討論了新穎的中心核結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)合成、有機(jī)藍(lán)光雙光子激發(fā)熒光材料的雙光子吸收響應(yīng)的提高、雙光子激發(fā)熒光材料的光穩(wěn)定性和水溶性的提升以及雙光子激發(fā)熒光材料的激發(fā)波長(zhǎng)從近紅外一區(qū)向近紅外二區(qū)的擴(kuò)展等內(nèi)容。 并且對(duì)該領(lǐng)域研究進(jìn)一步的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了討論，為有機(jī)八極分子雙光子激發(fā)熒光材料的進(jìn)一步研發(fā)和應(yīng)用提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞 雙光子激發(fā)熒光；有機(jī)八極分子；設(shè)計(jì)合成；結(jié)構(gòu)和性能；生物成像

中圖分類號(hào)：O621 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-0518（2025）01-0029-13

國(guó)家自然科學(xué)基金（Nos. 52073167， 21702132）資助

雙光子激發(fā)的熒光成像具有穿透深度大、空間分辨率高等優(yōu)點(diǎn)[1-3]，因此是一種極具潛力的成像技術(shù)。 近年來(lái)，我國(guó)在微型化雙光子熒光顯微鏡的研制上取得了突破性的進(jìn)展[4-5]。 2023年2月，神舟十五號(hào)航天員乘組在世界上首次使用空間站雙光子顯微鏡獲得皮膚三維圖像[6]。 鑒于此，開(kāi)發(fā)綜合性能優(yōu)良的雙光子激發(fā)的熒光材料顯得尤為重要。

雙光子激發(fā)的熒光材料主要分為無(wú)機(jī)和有機(jī)材料[7]。 相對(duì)于無(wú)機(jī)材料來(lái)說(shuō)，有機(jī)材料成本低、毒性低、種類繁多和結(jié)構(gòu)“可裁剪”，因此受到人們的廣泛關(guān)注[8]。 而在有機(jī)材料中，小分子材料溶解性好、易提純和易于獲得晶體結(jié)構(gòu)，因此成為研究的熱點(diǎn)[9]。 為了獲得具有大的雙光子吸收截面的有機(jī)小分子材料，人們從理論和實(shí)驗(yàn)等方面對(duì)有機(jī)小分子的結(jié)構(gòu)和雙光子吸收截面的關(guān)系進(jìn)行了大量的研究[10]。研究發(fā)現(xiàn)，具有雙光子激發(fā)熒光性能的有機(jī)小分子的分子結(jié)構(gòu)一般由電子給體（D）、電子受體（A）和共軛橋（π）等結(jié)構(gòu)單元組成。 如果3種結(jié)構(gòu)單元之間的排列方式為D-π-A，即為偶極分子。 如果3種結(jié)構(gòu)單元之間的排列方式為D-π-A-π-D或A-π-D-π-A，則為四極分子。 如果3種結(jié)構(gòu)單元之間的排列方式為D（-π-A）3或A（-π-D）3，則為八極分子。 由于偶極分子、四極分子和八極分子均具有較大的分子內(nèi)極化程度，因此具有較大的雙光子吸收截面。 從分子結(jié)構(gòu)上來(lái)看，偶極和四極分子是線型分子，其設(shè)計(jì)合成更加簡(jiǎn)單，八極分子是非線型分子，設(shè)計(jì)合成上稍微復(fù)雜一點(diǎn)。 從性能上來(lái)看，偶極和四極分子只存在一個(gè)維度上的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移，而八極分子存在多個(gè)維度上的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移，所以分子內(nèi)極化程度更大。 同時(shí)，八極分子的多個(gè)偶極分枝之間還可能存在耦合作用，進(jìn)一步增大其極化程度[11]。 從實(shí)際應(yīng)用的需求來(lái)看，雙光子激發(fā)熒光材料需要在濃溶液狀態(tài)下依然保持較高的發(fā)光效率。 但是，對(duì)于線型的偶極和四極分子來(lái)說(shuō)，在高濃度狀態(tài)下分子之間會(huì)發(fā)生聚集，形成緊密的分子間π-π堆積，從而出現(xiàn)聚集導(dǎo)致熒光猝滅的現(xiàn)象。與線型鏈狀的偶極和四極分子相比，支化鏈狀的八極分子能夠有效抑制高濃度下分子之間的π-π堆積，減弱聚集態(tài)下熒光的猝滅[12]。 綜上所述，與偶極和四極分子相比，八極分子不僅在增大分子內(nèi)極化程度、增大雙光子吸收截面方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，而且在抑制分子間的π-π堆積、減弱聚集態(tài)下熒光的猝滅方面也具有很大的優(yōu)勢(shì)。 因此，有機(jī)八極分子作為雙光子激發(fā)熒光材料必將為雙光子激發(fā)熒光成像技術(shù)帶來(lái)顯著的提升。

目前，有機(jī)八極分子雙光子激發(fā)熒光材料的研究已有很大進(jìn)展，文獻(xiàn)[13]報(bào)道了較多的具有大的雙光子吸收截面的八極分子及其應(yīng)用。 絕大多數(shù)工作均采用取代位點(diǎn)完全對(duì)稱的中心核，并且采用完全相同的分枝結(jié)構(gòu)。 這種設(shè)計(jì)理念避免了有機(jī)合成的復(fù)雜性，有利于降低制備成本，但是從另一方面來(lái)看，這也可能會(huì)限制中心核和分枝結(jié)構(gòu)單元的選擇范圍，阻礙八極分子在結(jié)構(gòu)上的進(jìn)一步創(chuàng)新。 另外，八極分子結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，相對(duì)分子質(zhì)量較大，因此，還可能存在穩(wěn)定性差、水溶性差、細(xì)胞滲透性差和生物相容性差等問(wèn)題[14-15]。 這些不足之處可能降低有機(jī)八極分子作為雙光子激發(fā)熒光材料的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，進(jìn)一步尋求結(jié)構(gòu)新穎、綜合性能優(yōu)良的有機(jī)八極分子仍將是雙光子激發(fā)熒光材料研究領(lǐng)域的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

1 有機(jī)八極分子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)合成

近5年來(lái)，一些結(jié)構(gòu)新穎的有機(jī)八極小分子雙光子激發(fā)熒光材料的設(shè)計(jì)合成和性能研究工作也被報(bào)道了出來(lái)。 在傳統(tǒng)八極分子的設(shè)計(jì)中，一般選擇取代位點(diǎn)呈中心對(duì)稱的中心核，如4，4′，4″-三取代的三苯胺[16-17]、2，4，6-三取代的均三嗪[18-19]等。 2020年，Kournoutas等[20]設(shè)計(jì)合成了以取代位點(diǎn)不對(duì)稱的2，4，6-三取代的咪唑?yàn)橹行暮?、以乙烯基為π共軛橋、分別以N，N′-二甲基苯胺或三苯胺為分枝的八極分子1c和2c（圖1A）。 這2種分子均具有很強(qiáng)的吸光能力，在二氯甲烷中的摩爾吸光系數(shù)均超過(guò)了5×10⁵ L/（mol·cm）。 值得注意的是，2c是將1c中的N，N′-二甲基取代基替換成了三苯胺取代基，由于π共軛結(jié)構(gòu)的擴(kuò)大，2c的熒光量子產(chǎn)率（ΦF）相比1c有明顯的提升，從22%提高到了56%。 同時(shí)，2c的最大雙光子吸收截面（δmax）也比1c有明顯的提高，從324 GM提高到了492 GM（圖1B）。

在八極分子的設(shè)計(jì)合成中，一般均以完全相同的分枝結(jié)構(gòu)單元來(lái)構(gòu)建對(duì)稱的八極分子，而很少以不同的分枝結(jié)構(gòu)單元來(lái)構(gòu)建非對(duì)稱的八極分子[21]。 2020年，Cai等[22]設(shè)計(jì)合成了以均三嗪為中心核、以乙烯基或?qū)Ρ綋我蚁┗鶠棣泄曹棙?、分別以咔唑和吡啶（或咔唑和苯并咪唑）為分枝的八極分子CZ-Py2和CZ-BI2（圖2A）。 這2種小分子均有較強(qiáng)的光吸收能力，在4種不同極性溶劑（甲苯、四氫呋喃（THF）、二氯甲烷、N，N′-二甲基甲酰胺（DMF））中的最大摩爾吸光系數(shù)均大于1×10⁵L/（mol·cm）。 另外，這2種小分子也具有較好的熒光發(fā)射能力。 在低極性的甲苯中，ΦF均大于35%。 隨著溶劑極性的增大，熒光發(fā)射峰的強(qiáng)度和量子產(chǎn)率均出現(xiàn)了明顯的降低。 這歸因于扭曲的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移態(tài)的形成。 同時(shí)，這2種小分子的δmax分別為844和2072 GM（圖2B）。

2 有機(jī)八極分子雙光子激發(fā)熒光材料的性能優(yōu)化

近5年來(lái)，有機(jī)八極小分子雙光子激發(fā)熒光材料的性能優(yōu)化工作是研究的重點(diǎn)。 性能優(yōu)化的方面包括： 提升材料的雙光子吸收截面、增強(qiáng)材料的光穩(wěn)定性、水溶性、細(xì)胞滲透性、生物相容性以及將雙光子激發(fā)的波長(zhǎng)從近紅外一區(qū)延長(zhǎng)到近紅外二區(qū)等。

2. 1 提升材料的雙光子吸收截面

有機(jī)藍(lán)光生色團(tuán)的雙光子吸收響應(yīng)通常很弱[23]，雖然通過(guò)在生色團(tuán)上引入強(qiáng)的電子給受基團(tuán)可以增強(qiáng)分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)和雙光子吸收響應(yīng)，但是這會(huì)造成生色團(tuán)的激發(fā)和發(fā)射波長(zhǎng)大幅紅移，超出藍(lán)光波長(zhǎng)的范圍，并且降低ΦF[24]。 Xu等[25]設(shè)計(jì)合成了以三聚茚為中心核、芴為π共軛橋和芘為分枝的八極分子。芴橋的引入抑制了芘平面之間的π-π堆積，使得熒光發(fā)射波長(zhǎng)出現(xiàn)藍(lán)移，同時(shí)ΦF也提高了。 Guo等[26]設(shè)計(jì)合成了以三苯胺為中心核、對(duì)苯撐為π共軛橋和二苯胺基為分枝的八極分子。 這種八極結(jié)構(gòu)不僅具有較大的δmax（2579 GM）和ΦF（86%），而且發(fā)射波長(zhǎng)（445 nm）也是在藍(lán)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)。 2020年，Guo等[27]設(shè)計(jì)合成了以均三嗪（Triazine，TA）為中心核、對(duì)苯撐為π共軛橋、分別以二苯胺基（Diphenylamino，NPh）、咔唑（Carbazole，CBZ）或噁二唑（Oxadiazole，ODZ）為分枝的八極分子TA（TL）-Ph（3）-NPh、TA（TL）-Ph（3）-CBZ和TA（TL）-Ph（3）-ODZ（圖3A）。 其中，TL是ladder-type的縮寫(xiě)。 它們均具有較強(qiáng)的吸光能力，在甲苯中的最大摩爾吸光系數(shù)也均大于1×10⁵ L/（mol·cm）。 它們的最大發(fā)射波長(zhǎng)（420～470nm）均處于藍(lán)光波長(zhǎng)范圍。 δmax分別為3630、5120和1420 GM。 其中，TA（TL）-Ph（3）-CBZ具有最強(qiáng)的雙光子吸收響應(yīng)。TA（TL）-Ph（3）-CBZ具有最低的放大自發(fā)輻射的閾值（9. 5 mJ/cm2）（圖3B），同時(shí)，TA（TL）-Ph（3）-CBZ具有最大的雙光子放大的自發(fā)輻射（Two-photon pumped amplified spontaneous emission，2PP ASE）效率（～1. 0%）（圖3C）。

2. 2 增強(qiáng)材料的光穩(wěn)定性

雙光子激發(fā)的熒光材料需要以高能量的脈沖激光為光源，其光穩(wěn)定性是一個(gè)不能忽視的因素[28]。一方面，熒光團(tuán)固有的分子結(jié)構(gòu)特征是決定其光穩(wěn)定性的主要因素，另一方面，對(duì)熒光團(tuán)分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)修飾也可以提高其光穩(wěn)定性[29]。 例如，在已報(bào)道的熒光團(tuán)分子中，苝二酰亞胺是光穩(wěn)定性最高的材料之一[30]。 進(jìn)一步地，在苝二酰亞胺的灣位修飾特定的取代基，或者改變酰亞胺的氮原子上的烷基鏈的種類，可以進(jìn)一步提高其光穩(wěn)定性[31]。 García-Moreno等[32]探究了分子結(jié)構(gòu)的修飾對(duì)氟硼二吡咯的光穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)將烷基鏈引入到氟硼二吡咯上可以有效提高其光穩(wěn)定性。 其簡(jiǎn)單的原理可能是：烷基鏈的引入增加了分子中共價(jià)鍵的數(shù)量，這些共價(jià)鍵提供了更多的通道，將一部分吸收的光能中沒(méi)有轉(zhuǎn)化為發(fā)射的能量消耗掉，從而防止材料中熱量的積累，提高材料的光穩(wěn)定性。 2020年，Oyama等[33]研究了分子結(jié)構(gòu)的修飾對(duì)咔唑衍生物光穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)了僅通過(guò)將1，2-二苯乙烯替換為苯基取代的2，3-苯并呋喃，就可以顯著提高其光穩(wěn)定性，說(shuō)明芳環(huán)和芳雜環(huán)比烯烴結(jié)構(gòu)具有更高的光穩(wěn)定性。 目前，已經(jīng)報(bào)道了越來(lái)越多的具有優(yōu)異的光穩(wěn)定性的熒光團(tuán)。 2023年，Szukalska等[34]報(bào)道了具有四極結(jié)構(gòu)的4，7-二噻吩取代的苯并噻二唑具有優(yōu)異的光穩(wěn)定性，再次說(shuō)明分子結(jié)構(gòu)中芳環(huán)和芳雜環(huán)的存在對(duì)提升光穩(wěn)定性的重要貢獻(xiàn)。 因此，進(jìn)一步地，如果將更多的芳環(huán)或芳雜環(huán)結(jié)構(gòu)引入更加復(fù)雜的八極分子結(jié)構(gòu)中，會(huì)對(duì)分子的光穩(wěn)定性起什么樣的影響呢？ 2021年，Gong等[35]設(shè)計(jì)合成了以三苯胺為中心核、分別以苯乙烯或?qū)Ρ綋我蚁榉种Φ陌藰O分子3和14（圖4A）。 3和14的最大吸收波長(zhǎng)分別為390和440 nm。 當(dāng)使用800 nm的脈沖激光作為激發(fā)光源時(shí)，3和14分別發(fā)射出藍(lán)色和黃色的雙光子激發(fā)熒光，對(duì)應(yīng)的最大發(fā)射波長(zhǎng)分別為500和550 nm（圖4B和4C）。 3和14的δmax分別為13000和53000 GM。特別值得一提的是，14在脈沖激光照射下的降解時(shí)間在5 h以上，展現(xiàn)出很好的光穩(wěn)定性。

2. 3 增強(qiáng)材料的水溶性

為了提高八極分子的雙光子吸收截面，一種常用的方法是擴(kuò)大分子的平面共軛結(jié)構(gòu)，但是這也會(huì)導(dǎo)致分子在含水介質(zhì)中的溶解性變差，不利于生物成像的應(yīng)用。 如果利用金屬陽(yáng)離子取代八極分子A（-π-D）3中的電子受體A，形成具有共軛有機(jī)配體的配合物，又會(huì)帶來(lái)細(xì)胞毒性的問(wèn)題。 因此，設(shè)計(jì)出水溶性好且不含金屬的有機(jī)八極小分子是一個(gè)重要的課題。 目前，主要有2種常用的方法。 其中，一種方法是在分子結(jié)構(gòu)中引入烷氧基長(zhǎng)鏈，另一種方法是在分子結(jié)構(gòu)中引入兩性離子（或內(nèi)鹽）的結(jié)構(gòu)。 2021年，Zhang等[36]將乙氧基長(zhǎng)鏈引入到萘酰亞胺衍生物中，有效改善了分子的水溶性。 2023年，Chen等[37]設(shè)計(jì)合成了以甲基吡啶為中心核、以乙烯為π共軛橋、以對(duì)甲氧基苯基為分枝的八極分子Mito-3arm（圖5A）。Mito-3arm具有較強(qiáng)的吸光能力，在水中的最大摩爾吸光系數(shù)達(dá)到4. 41×105 L/（mol·cm）。 最大發(fā)射波長(zhǎng)為540 nm，ΦF為7. 3%。 δmax為1380 GM。 利用共聚焦顯微鏡的Z疊層模型對(duì)比不同激發(fā)通道的成像信號(hào)，單光子成像信號(hào)只能探測(cè)到120 μm深度處，而雙光子成像信號(hào)在160 μm深度處依然可以探測(cè)到（圖5B）。對(duì)比Z疊層重構(gòu)圖像和熒光三維強(qiáng)度分布圖，單光子只能激發(fā)出表面的熒光，而雙光子可以同時(shí)激發(fā)出表面和內(nèi)部的熒光（圖5C）。 并且增加Mito-3arm的孵化時(shí)間可以進(jìn)一步增強(qiáng)雙光子成像的信號(hào)（圖5D）。

2. 4 增強(qiáng)材料的細(xì)胞滲透性

具有聚集誘導(dǎo)熒光發(fā)射性質(zhì)的分子的納米顆粒具有較強(qiáng)的發(fā)光能力，因此可以應(yīng)用于生物成像[38]。而雙光子激發(fā)可以有效降低生物組織的自熒光、降低細(xì)胞損傷、并且提高空間分辨率[39]，因此相比單光子激發(fā)的熒光成像，雙光子激發(fā)熒光成像具有顯著的優(yōu)勢(shì)。 聚集誘導(dǎo)熒光發(fā)射的分子疏水性強(qiáng)、生物相容性低，因此細(xì)胞滲透性差，需要采用封裝的辦法提高生物相容性，封裝好的納米顆粒還需要較長(zhǎng)的孵育時(shí)間（2～24 h）來(lái)對(duì)細(xì)胞進(jìn)行染色[40]。 近年來(lái)，皂苷、牛血清白蛋白（BSA）和人血清白蛋白（HAS）等具有低的細(xì)胞毒性和良好的細(xì)胞滲透性的生物活性分子被用來(lái)作為載體運(yùn)輸聚集誘導(dǎo)熒光發(fā)射分子的納米顆粒。 2019年，Gao等[41]將苯并雙噻二唑衍生物與HAS結(jié)合形成復(fù)合物納米顆粒，提高了其細(xì)胞滲透性。 2023年，Liu等[42]設(shè)計(jì)合成了以三苯胺為中心核、苯甲醛為分枝的八極分子144（圖6A）。 分子的末端具有多個(gè)醛基，可以通過(guò)氫鍵和范德華相互作用與牛血清白蛋白結(jié)合形成復(fù)合物，從而僅在5 min左右即可快速地滲透到細(xì)胞中。 144分子在稀溶液中的熒光發(fā)射光譜隨溶劑極性的增加出現(xiàn)明顯的紅移，當(dāng)溶劑從正己烷到二甲基亞砜，熒光發(fā)射峰從425 nm紅移到555 nm（圖6B）。 這說(shuō)明隨著溶劑極性的增加，144分子的發(fā)光從局域激發(fā)（LE）態(tài)轉(zhuǎn)化為扭曲的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移（TICT）態(tài)。 在混合溶劑二甲亞砜/水體系中，隨著水體積分?jǐn)?shù)的增加（0～40%），144分子的熒光發(fā)射強(qiáng)度先出現(xiàn)明顯的降低，然后隨著水體積分?jǐn)?shù)的進(jìn)一步增加（40%～95%），144分子的熒光發(fā)射強(qiáng)度再逐漸增強(qiáng)（圖6C）。 前一個(gè)階段，隨著水體積分?jǐn)?shù)的增加（0～40%），溶劑極性明顯增大，扭曲的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程顯著增強(qiáng)，因?yàn)榕で姆肿觾?nèi)電荷轉(zhuǎn)移是非輻射躍遷，所以導(dǎo)致熒光發(fā)射強(qiáng)度減弱。 在后一個(gè)階段，隨著水體積分?jǐn)?shù)的進(jìn)一步增加（40%～95%），144分子已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)聚集成納米顆粒，此時(shí)因?yàn)榉肿泳哂芯奂T導(dǎo)發(fā)光性質(zhì)，所以熒光發(fā)射強(qiáng)度增大。 利用BSA/144對(duì)HeLa癌細(xì)胞進(jìn)行染色，經(jīng)過(guò)5 min的孵育，就可以顯示出完整的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，說(shuō)明BSA/144納米顆粒已經(jīng)進(jìn)入到了細(xì)胞膜內(nèi)部。 進(jìn)一步增加孵育時(shí)間，HeLa癌細(xì)胞發(fā)出越來(lái)越強(qiáng)的綠色熒光，說(shuō)明越來(lái)越多的BSA/144納米顆粒進(jìn)入了細(xì)胞（圖6D）。

2. 5 增強(qiáng)材料的生物相容性

為了解決有機(jī)熒光生色團(tuán)水溶性差的問(wèn)題，一種有效的途徑是通過(guò)溶膠-凝膠工藝構(gòu)建光活性的有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化材料。 這種雜化納米顆?？梢酝ㄟ^(guò)有機(jī)化合物的表面功能化或通過(guò)將硅基化的熒光團(tuán)進(jìn)行共聚獲得，得到的聚合物中有一部分有機(jī)和無(wú)機(jī)組分是通過(guò)強(qiáng)的Si—C（sp3）鍵進(jìn)行連接的。 這種雜化納米顆粒具有毒性低、生物相容性和穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。 2022年，Rodrigues等[43]綜述了通過(guò)對(duì)熒光團(tuán)進(jìn)行硅基化，制備有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化納米材料，提高其生物相容性的研究進(jìn)展。 2023年，Bondon等[44]設(shè)計(jì)合成了以三苯胺為中心核、苯磺酰基為分枝、乙烯基或?qū)Ρ綋我蚁┗鶠棣泄曹棙虻陌藰O分子F和F2（圖7A）。這2種分子均具有較好的發(fā)光能力，在四氫呋喃中的ΦF分別達(dá)到65%和75%。 它們的δmax均為810 GM（圖7B）。 先將熒光團(tuán)F與異氰酸丙基三乙氧基硅烷（ICPTES）縮合進(jìn)行硅基化，然后與1，2-二（三乙氧基硅基）乙烷（E）、雙-[3-（三乙氧基硅）丙基]-四硫化物（4S）制備周期性介孔有機(jī)硅（PMO）納米顆粒（圖7C）。 制得的納米顆粒對(duì)乳腺癌MCF-7細(xì)胞的生物相容性好。 雙光子激發(fā)熒光成像結(jié)果表明，制得的納米顆粒（E 4S F-2）具有生物成像的良好潛力（圖7D）。

2. 6 將雙光子激發(fā)的波長(zhǎng)從近紅外一區(qū)延長(zhǎng)到近紅外二區(qū)

在二維共軛聚合物中，電子可以在二維方向上相互作用，因此可以提高雙光子吸收截面。目前，關(guān)于二維聚合物在雙光子激發(fā)的熒光成像中的激發(fā)波長(zhǎng)均處于近紅外一區(qū)（700～950 nm），未見(jiàn)在近紅外二區(qū)（950～1700 nm）的例子。 而近紅外二區(qū)的熒光成像具有更大的穿透深度、更高的空間分辨率以及信噪比[45]。 2024年，He等[46]設(shè)計(jì)合成了以三苯胺為中心核、氰基乙烯基為π共軛橋、以4，7-二苯基苯并噻二唑或?qū)θ?lián)苯為分枝的八極分子結(jié)構(gòu)（圖8A和8B），并以其為單體獲得了二維共軛聚合物2DCP1和2DCP2。用氰基乙烯基作π共軛橋可以增強(qiáng)分子內(nèi)電子相互作用，提高雙光子吸收截面。 由于2DCP1比2DCP2具有更強(qiáng)的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移，所以2DCP1的單體的最大雙光子活性截面（即最大雙光子吸收截面（δmax）與熒光量子產(chǎn)率（ΦF）的乘積，δmaxΦF=798 GM）大于2DCP2的單體的最大雙光子活性截面（598 GM）（圖8A和8B）。 在細(xì)胞成像實(shí)驗(yàn)中，胞質(zhì)中可見(jiàn)明顯熒光，表明納米顆粒成功內(nèi)吞。 另外，與單光子激發(fā)的熒光成像（激發(fā)波長(zhǎng)： 460～550 nm）相比，雙光子激發(fā)的熒光成像（激發(fā)波長(zhǎng)： 近紅外二區(qū)1040 nm）顯示出更高的焦斑和分辨率（圖8C）。

3 結(jié)論與展望

由于有機(jī)八極小分子材料具有種類繁多、結(jié)構(gòu)“可裁剪”、溶解性好和易提純等優(yōu)點(diǎn)，并且八極分子的分枝間的耦合作用可以有效提升整個(gè)分子的雙光子激發(fā)熒光性能，因此成為該領(lǐng)域研究的焦點(diǎn)所在。其中，新穎的分子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)合成是首要考慮的因素。 在八極分子中，中心核、分枝和π共軛橋是其基本結(jié)構(gòu)。 選擇取代位點(diǎn)呈中心對(duì)稱的中心核，還是取代位點(diǎn)不對(duì)稱的中心核？選擇完全相同的分枝結(jié)構(gòu)單元來(lái)構(gòu)建對(duì)稱的八極分子，還是以不同的分枝結(jié)構(gòu)單元來(lái)構(gòu)建非對(duì)稱的八極分子？如何增強(qiáng)藍(lán)光生色團(tuán)的雙光子吸收響應(yīng)？如何有效提高雙光子激發(fā)的熒光材料在高能量的脈沖激光照射下的光穩(wěn)定性？如何設(shè)計(jì)出水溶性好的有機(jī)八極小分子雙光子激發(fā)熒光材料？如何設(shè)計(jì)出具有聚集誘導(dǎo)熒光發(fā)射性質(zhì)的有機(jī)八極小分子雙光子激發(fā)熒光材料？如何通過(guò)溶膠-凝膠工藝構(gòu)建具有雙光子激發(fā)熒光性能的有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化材料？如何選擇有機(jī)八極小分子作為單體設(shè)計(jì)具有雙光子激發(fā)熒光性能的二維共軛聚合物材料？以上問(wèn)題均在本文中進(jìn)行了解答。 本文通過(guò)重點(diǎn)對(duì)近5年來(lái)國(guó)內(nèi)外有機(jī)八極小分子雙光子激發(fā)熒光材料的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，總結(jié)了有機(jī)八極小分子雙光子激發(fā)熒光材料的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路、雙光子激發(fā)的熒光性能以及在生物成像上的應(yīng)用，將對(duì)新型雙光子激發(fā)熒光材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用提供參考，助力具有大的穿透深度、高的空間分辨率的雙光子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。 目前，有機(jī)八極小分子雙光子激發(fā)熒光材料的發(fā)展已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，未來(lái)進(jìn)一步的發(fā)展將重點(diǎn)考慮以下2個(gè)方面： 1）在分子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)合成中，考慮同分異構(gòu)體，特別是位置異構(gòu)體的引入，這將在不改變相對(duì)分子質(zhì)量大小的情況下優(yōu)化分子的雙光子激發(fā)熒光性能。 2）進(jìn)一步提高有機(jī)八極小分子雙光子激發(fā)熒光材料的水溶性、細(xì)胞滲透性、生物相容性和激光穩(wěn)定性，這將進(jìn)一步促進(jìn)其在生物成像領(lǐng)域的應(yīng)用。

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Research Progress in Design， Synthesis and Properties of Organic Octupolar Two-Photon Excited Fluorescence Materials

XU Liang1*， LIU Jian-Peng2， QING Jian1

1（School of New Energy and Materials， Southwest Petroleum University， Chengdu 610500， China）2（College of Chemistry and Chemical Engineering， Shantou University， Shantou 515063， China）

Abstract Two-photon fluorescence has the advantages of large penetration depth and high spatial resolution，and has an important application prospect in the field of biological imaging. With the continuous innovation and development of related research， organic dipole and quadrupole molecules cannot exhibit the desired two-photon excited fluorescence properties due to the limitations of their own structure and properties， and cannot be designed and regulated in their structure properties. So it is increasingly unable to meet the needs of practical applications. Compared with organic dipole and quadrupole molecules， organic octupolar molecules have obvious advantages in this aspect. Through the diversified structural “clipping” on the multiple structural units （central core， branches and π-conjugate bridges）， the coupling between different branches can be greatly improved and the two-photon absorption cross section can be also improved. At the same time， the water solubility， membrane permeability， biocompatibility and laser stability of the molecule can be further optimized. Therefore， in recent years， more and more research has focused on organic octupole two-photon excited fluorescence materials. The research progress in design， synthesis and properties of organic octupolar two-photon excited fluorescence materials in recent five years is reviewed. The discussion focuses on the design and synthesis of novel central core structure， the improvement of two-photon absorption response of organic blue two-photon excited fluorescence materials， the improvement of photostability and water solubility of two-photon excited fluorescence materials， and the expansion of excitation wavelength from near infrared region 1 to near infrared region 2. The further development trend of this field is also discussed， which provides a basis for the further development and application of organic octupolar two-photon excited fluorescence materials. Keywords Two-photon excited fluorescence； Organic octupolar molecule； Design and synthesis； Structure and performance； Bioimaging

Received 2024？08？11； Accepted 2024？10？26

Supported by the National Natural Science Foundation of China（ Nos. 52073167， 21702132）