南開大學劉育團隊最新JACS：光氧化驅動純有機室溫磷光實現溶酶體靶向成像

【背景介紹】

與熒光納米系統相比，磷光系統具有更長的壽命、更大的斯托克斯位移以及在復雜生物學環境中具有更高的可靠性。特別是持久的室溫磷光（RTP），如今在生物成像、光學開關等領域都展現出了巨大的應用前景。對于RTP來說，除了傳統的摻雜、晶化和聚合方法以外，與含有空腔的大環化合物進行主客體絡合是一種可在溶液和固體狀態下實現純有機RTP的更加強有力的策略。在這一策略中，通過非共價相互作用緊密絡合光學活性底物，大環化合物受體可以大幅度促進系間竄躍并同時抑制非輻射馳豫過程，從而以可控的方式賦予超分子發光組裝體更高的室溫磷光發光效率。

在另一方面，蒽參與的光化學反應可為構建超分子組裝體提供理想的光響應性能，許多蒽衍生的構建模塊，如環二聚體和內過氧化物等均可以用于調控納米結構的分子識別和組裝性能。除此之外，蒽基作為延伸的π-芳香核，還可以控制超分子組裝體的拓撲結構和熒光發射行為。然而，至今還未有報道在單一組裝體中能夠實現基于蒽基熒光/磷光可調諧的光致發光研究。此外，在超分子水平上開發高效的化學刺激方法以調控組裝體光致發光行為及其相關生物學性質也是一個亟需解決的難題。

【成果簡介】

南開大學化學學院的劉育教授、張瀛溟副教授（共同通訊作者）以及博士研究生虞華江（第一作者）團隊發表文章闡釋了通過主體穩定的電荷轉移作用，葫蘆[8]脲主體（CB[8]）可以有效地誘導蒽基共軛溴苯基吡啶鹽客體（ANPY）形成線性超分子聚合物（supramolecular polymer，ANPY?CB[8]），這導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射強度。研究還發現，在光照條件下，蒽基被氧化成蒽醌，分子組裝模式也由“頭對尾”的超分子聚合物轉化為“頭對頭”的三元包合物（homoternary inclusion complex，AQPY?CB[8]），而三元包合物能夠在水溶液中發射出強烈的綠色磷光。更加有趣地是，作者將這種熒光到磷光發射的光物理性質轉化成功地應用于活細胞內不同細胞器的靶向成像。細胞染色實驗結果表明，具有紅色熒光發射能力的超分子聚合物能夠很好地定位在細胞核中，而具有綠色磷光發射能力的超分子三元包合物能夠選擇性定位在溶酶體內。此外，通過細胞共孵育超分子聚合物和溶酶體成像劑后發現，在光照條件下超分子聚合物可以在細胞內重組為三元包合物，并伴隨著細胞核中的紅色熒光轉化為溶酶體中的綠色磷光。作者認為，該工作利用光氧化驅動策略首次實現了活細胞內不同細胞器的多色靶向成像，這為開發刺激響應材料和功能成像試劑提供了新思路。研究成果以題為“Photooxidation-Driven Purely Organic Room-Temperature Phosphorescent Lysosome-Targeted Imaging”發布在國際著名期刊JACS上。

【圖文解讀】

示意圖一、

在ANPY?CB[8]和AQPY?CB[8]組裝體中，從紅色熒光到綠色磷光發射的轉化示意圖

圖一、

（a）在水中加入CB[8]后ANPY的紫外吸收光譜變化（溫度298 K，[ANPY] = 1.0 × 10^?5 M，[CB[8]] = 0?2.4 × 10^?5 M）；

（b）ANPY?CB[8]組裝體的TEM圖像；

（c）不同紫外光照射時間下ANPY?CB[8]組裝體的紫外吸收光譜變化（λ = 365 nm，溫度298 K，[ANPY] = [CB[8]] = 4.0 × 10^?5 M）；

（d）紫外光光照前后ANPY的紅外光譜。

圖二、

（a）在水中加入CB[8]后ANPY的熒光光譜變化（溫度298 K，[ANPY] = 4.0 × 10^?5 M，[CB[8]] = 0?6.0 × 10^?5 M）；

（b）ANPY?CB[8]在紫外光照射條件下光致發光光譜變化；

（c）ANPY?CB[8]組裝體在613 nm處的壽命衰減曲線；

（d）AQPY?CB[8]組裝體在529 nm處的壽命衰減曲線；

（e）ANPY?CB[8]組裝體在連續紫外光照射（λ_ex = 365 nm，298 K）下的CIE 1931色度圖；

（f）ANPY?CB[8]組裝體在持續紫外光照射（λ_ex = 365 nm，298 K）下的發光圖像。

圖三、

（a）ANPY?CB[8]的優化分子空間構型；

（b）AQPY?CB[8]的優化分子空間構型；

（c）ANPY?CB[8]的能級圖以及自旋軌道耦合系數；

（d）AQPY?CB[8]的能級圖以及自旋軌道耦合系數；

（e）ANPY?CB[8]的電子/空穴分析（綠色和藍色分別表示電子和空穴的分布）；

（f）AQPY?CB[8]的電子/空穴分析（綠色和藍色分別表示電子和空穴的分布）。

圖四、

（a-d）共染Hoechst 33342和ANPY?CB[8]的A549細胞的共聚焦圖像；

（e-h）共染Lysotracker Blue和AQPY?CB[8]的A549細胞的共聚焦圖像；

（i-l）ANPY?CB[8]組裝體經紫外光照射30分鐘后孵育A549細胞的共聚焦圖像；

以上的實驗參數設置為激發波長405 nm，[ANPY] = [AQPY] = [CB[8]] = 8.0 × 10^?6 M。

【小結】

綜上所述，作者通過ANPY和CB[8]之間的主客體絡合作用構建了一種超分子發光納米體系，實現了水溶液中熒光到磷光的轉化，并成功應用于活細胞內雙細胞器的靶向成像。在ANPY?CB[8]超分子聚合物中，CB[8]穩定的電荷轉移相互作用可以擴大π共軛程度，最終顯著增強其在613 nm處的紅色熒光發射。同時，ANPY中的蒽基在紫外光照射下可轉變成蒽醌基團，伴隨著在529 nm處的強綠色磷光出現。這些具有組裝誘導光致發光行為的超分子組裝體在細胞核和溶酶體中具有不同的定位能力，并且定位區域可以通過光照持續時間進行調控。基于這些成果，作者認為這項研究在設計新型刺激響應材料以及在實現細胞內生理活動的原位動態可視化檢測方面具有重要意義。

文獻鏈接：Photooxidation-Driven Purely Organic Room-Temperature Phosphorescent Lysosome-Targeted Imaging, JACS, 2021, DOI: 10.1021/jacs.1c06741.

劉育教授簡介

劉育，南開大學教授，1996年獲國家杰出青年科學基金資助，2000年受聘為教育部長江學者特聘教授，2010年和2016年獲中國僑界貢獻獎，2012年評選為全國優秀科技工作者，2006年和2011年分別兩次擔任國家973重大研究計劃項目首席科學家。在有機超分子化學和納米超分子化學的研究方面做了大量系統工作，研究成果已在國內外核心刊物發表論文500多篇，論文SCI他引16000多次，h-index: 65；在國內外學術會議做大會和邀請報告50多次。主（參）英文專著9部、中文專著5部。獲國家自然科學獎二等獎1項，省部級自然科學一等獎3項，二等獎3項，寶鋼優秀教師特等獎1項和國家”十一五”科技計劃執行突出貢獻獎。曾任兩屆國務院學位委員會學科評議組成員、中國化學會常務理事、高等學校化學學報副主編，現任國際環糊精和葫蘆脲協會顧問委員會委員、中國化學快報副主編、以及Aggregate、Asian J. Org. Chem.等7種雜志編委。

近兩年來，南開大學劉育教授課題組系統地研究了大環主體誘導客體磷光增強效應，先后發表了多篇研究論文，例如，“客隨主變助竄越，避重就輕長發光”（Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 6028–6032；Chem. Sci. 2019, 10, 7773–7778），“協同策略兩相宜”（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 18748–18754），“水中磷光來成像”（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)。