純有機室溫磷光由于其壽命長、斯托克斯位移大等特點，在生物成像、有機發(fā)光二極管和光學開關等方面被廣泛應用。其中，水相室溫磷光由于容易區(qū)分短壽命的背景熒光，從而在時間分辨生物成像領域具有重要應用價值。然而，由于水溶液中高濃度溶解氧和分子運動引起的淬滅，在水相中實現(xiàn)高效室溫磷光發(fā)射仍然是一項頗具挑戰(zhàn)性的工作，這也使得其在細胞成像應用方面受到了極大的限制。目前特異性的細胞染色體系主要是將不同的細胞器靶向劑通過共價鍵連接到發(fā)色團上來實現(xiàn)的，這通常需要繁瑣的化學合成或反復的純化分離過程，因此開發(fā)新的細胞器標記和定位方法具有重要的科學意義和研究價值。
近兩年來，南開大學劉育教授課題組系統(tǒng)地研究了大環(huán)主體誘導客體磷光增強效應，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用，尤其是在細胞成像方面的應用研究奠定了堅實的基礎。
在前期工作基礎上，該課題組巧妙地設計合成了一種能夠通過光氧化驅(qū)動的超分子熒光磷光雙向發(fā)光體系，成功地實現(xiàn)了活細胞中雙細胞器的多色靶向成像?；诤J脲（甘脲和甲醛縮合的一類大環(huán)化合物）的分子識別和鍵合客體蒽的光氧化反應，他們發(fā)現(xiàn)通過葫蘆[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蒽基共軛溴苯基吡啶鹽組裝形成超分子聚合物，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(fā)射強度。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“頭對尾”的超分子聚合物轉(zhuǎn)化為“頭對頭”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)化應用于活細胞內(nèi)不同細胞器的靶向成像。細胞染色實驗結(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，通過細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胞內(nèi)重組為三元包合物，并伴隨著細胞核中的紅色熒光轉(zhuǎn)化為溶酶體中的綠色磷光。
圖2：超分子組裝體的細胞染色實驗結(jié)果。(a-d) 超分子聚合物、(e-h) 超分子三元復合物、(i-l) 兩種組裝體的細胞成像圖。
最后，研究人員認為，該工作利用光氧化驅(qū)動策略首次實現(xiàn)了活細胞內(nèi)不同細胞器的多色靶向成像，這為開發(fā)刺激響應材料和功能成像試劑提供了新思路。
相關論文信息：
https://doi.org/10.1021/jacs.1c06741
來源：南開大學
