純有機(jī)室溫磷光由于其壽命長(zhǎng)、斯托克斯位移大等特點(diǎn)，在生物成像、有機(jī)發(fā)光二極管和光學(xué)開關(guān)等方面被廣泛應(yīng)用。其中，水相室溫磷光由于容易區(qū)分短壽命的背景熒光，從而在時(shí)間分辨生物成像領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。然而，由于水溶液中高濃度溶解氧和分子運(yùn)動(dòng)引起的淬滅，在水相中實(shí)現(xiàn)高效室溫磷光發(fā)射仍然是一項(xiàng)頗具挑戰(zhàn)性的工作，這也使得其在細(xì)胞成像應(yīng)用方面受到了極大的限制。目前特異性的細(xì)胞染色體系主要是將不同的細(xì)胞器靶向劑通過(guò)共價(jià)鍵連接到發(fā)色團(tuán)上來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這通常需要繁瑣的化學(xué)合成或反復(fù)的純化分離過(guò)程，因此開發(fā)新的細(xì)胞器標(biāo)記和定位方法具有重要的科學(xué)意義和研究?jī)r(jià)值。
近兩年來(lái)，南開大學(xué)劉育教授課題組系統(tǒng)地研究了大環(huán)主體誘導(dǎo)客體磷光增強(qiáng)效應(yīng)，先后發(fā)表了多篇科研論文，例如“客隨主變助竄越，避重就輕長(zhǎng)發(fā)光”（Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 6028–6032；Chem. Sci. 2019, 10, 7773–7778），“協(xié)同策略兩相宜”（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 18748–18754），“水中磷光來(lái)成像”（Nat. Commun. 2020, 11, 4655），“分子折疊全竄越”（Adv. Mater. 2021, 33，2007476）等。因此，劉育教授課題組受邀撰寫了題為“Supramolecular Purely Organic Room-Temperature Phosphorescence”的綜述論文（Acc. Chem. Res. DOI: 10.1021/acs.accounts.1c00336）。這些都為超分子磷光在水相中的應(yīng)用，尤其是在細(xì)胞成像方面的應(yīng)用研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
在前期工作基礎(chǔ)上，該課題組巧妙地設(shè)計(jì)合成了一種能夠通過(guò)光氧化驅(qū)動(dòng)的超分子熒光磷光雙向發(fā)光體系，成功地實(shí)現(xiàn)了活細(xì)胞中雙細(xì)胞器的多色靶向成像。基于葫蘆脲（甘脲和甲醛縮合的一類大環(huán)化合物）的分子識(shí)別和鍵合客體蒽的光氧化反應(yīng)，他們發(fā)現(xiàn)通過(guò)葫蘆[8]脲穩(wěn)定的分子間電荷轉(zhuǎn)移相互作用，大環(huán)化合物可以有效地誘導(dǎo)蒽基共軛溴苯基吡啶鹽組裝形成超分子聚合物，這導(dǎo)致了剛性和共軛程度的增加，從而可以顯著提高紅色熒光發(fā)射強(qiáng)度。與此不同的是，在光照條件下，蒽基被氧化成蒽醌，分子組裝模式也由“頭對(duì)尾”的超分子聚合物轉(zhuǎn)化為“頭對(duì)頭”的三元包合物，而三元包合物能夠在水溶液中發(fā)射出強(qiáng)烈的綠色磷光。
圖1：組裝體水溶液光譜表征結(jié)果。(a) 客體中加入葫蘆[8]脲形成超分子聚合物的熒光光譜變化。(b) 超分子聚合物在紫外光照射下光致發(fā)光光譜變化。(c) 超分子聚合物在室溫條件下613 nm處壽命。(d) 光照后形成的三元包合物在室溫條件下529 nm處壽命。(e) 超分子聚合物隨紫外光照射的CIE 1931色度圖。(f) 超分子在持續(xù)紫外光光照下發(fā)光照片。
更加有趣的是，作者成功地將熒光到磷光發(fā)射的光物理性質(zhì)轉(zhuǎn)化應(yīng)用于活細(xì)胞內(nèi)不同細(xì)胞器的靶向成像。細(xì)胞染色實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，具有紅色熒光發(fā)射能力的超分子聚合物能夠很好地在細(xì)胞核內(nèi)定位成像，而具有綠色磷光發(fā)射能力的超分子三元包合物能夠選擇性定位在溶酶體內(nèi)。此外，通過(guò)細(xì)胞共孵育超分子聚合物和溶酶體成像劑后發(fā)現(xiàn)，在光照條件下超分子聚合物可以在細(xì)胞內(nèi)重組為三元包合物，并伴隨著細(xì)胞核中的紅色熒光轉(zhuǎn)化為溶酶體中的綠色磷光。
圖2：超分子組裝體的細(xì)胞染色實(shí)驗(yàn)結(jié)果。(a-d) 超分子聚合物、(e-h) 超分子三元復(fù)合物、(i-l) 兩種組裝體的細(xì)胞成像圖。
最后，研究人員認(rèn)為，該工作利用光氧化驅(qū)動(dòng)策略首次實(shí)現(xiàn)了活細(xì)胞內(nèi)不同細(xì)胞器的多色靶向成像，這為開發(fā)刺激響應(yīng)材料和功能成像試劑提供了新思路。
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1021/jacs.1c06741
來(lái)源：南開大學(xué)
