南开大学刘育团队最新JACS：光氧化驱动纯有机室温磷光实现溶酶体靶向成像

【背景介绍】

与荧光纳米系统相比，磷光系统具有更长的寿命、更大的斯托克斯位移以及在复杂生物学环境中具有更高的可靠性。特别是持久的室温磷光（RTP），如今在生物成像、光学开关等领域都展现出了巨大的应用前景。对于RTP来说，除了传统的掺杂、晶化和聚合方法以外，与含有空腔的大环化合物进行主客体络合是一种可在溶液和固体状态下实现纯有机RTP的更加强有力的策略。在这一策略中，通过非共价相互作用紧密络合光学活性底物，大环化合物受体可以大幅度促进系间窜跃并同时抑制非辐射驰豫过程，从而以可控的方式赋予超分子发光组装体更高的室温磷光发光效率。

在另一方面，蒽参与的光化学反应可为构建超分子组装体提供理想的光响应性能，许多蒽衍生的构建模块，如环二聚体和内过氧化物等均可以用于调控纳米结构的分子识别和组装性能。除此之外，蒽基作为延伸的π-芳香核，还可以控制超分子组装体的拓扑结构和荧光发射行为。然而，至今还未有报道在单一组装体中能够实现基于蒽基荧光/磷光可调谐的光致发光研究。此外，在超分子水平上开发高效的化学刺激方法以调控组装体光致发光行为及其相关生物学性质也是一个亟需解决的难题。

【成果简介】

南开大学化学学院的刘育教授、张瀛溟副教授（共同通讯作者）以及博士研究生虞华江（第一作者）团队发表文章阐释了通过主体稳定的电荷转移作用，葫芦[8]脲主体（CB[8]）可以有效地诱导蒽基共轭溴苯基吡啶盐客体（ANPY）形成线性超分子聚合物（supramolecular polymer，ANPY⊂CB[8]），这导致了刚性和共轭程度的增加，从而可以显著提高红色荧光发射强度。研究还发现，在光照条件下，蒽基被氧化成蒽醌，分子组装模式也由“头对尾”的超分子聚合物转化为“头对头”的三元包合物（homoternary inclusion complex，AQPY⊂CB[8]），而三元包合物能够在水溶液中发射出强烈的绿色磷光。更加有趣地是，作者将这种荧光到磷光发射的光物理性质转化成功地应用于活细胞内不同细胞器的靶向成像。细胞染色实验结果表明，具有红色荧光发射能力的超分子聚合物能够很好地定位在细胞核中，而具有绿色磷光发射能力的超分子三元包合物能够选择性定位在溶酶体内。此外，通过细胞共孵育超分子聚合物和溶酶体成像剂后发现，在光照条件下超分子聚合物可以在细胞内重组为三元包合物，并伴随着细胞核中的红色荧光转化为溶酶体中的绿色磷光。作者认为，该工作利用光氧化驱动策略首次实现了活细胞内不同细胞器的多色靶向成像，这为开发刺激响应材料和功能成像试剂提供了新思路。研究成果以题为“Photooxidation-Driven Purely Organic Room-Temperature Phosphorescent Lysosome-Targeted Imaging”发布在国际著名期刊JACS上。

【图文解读】

示意图一、

在ANPY⊂CB[8]和AQPY⊂CB[8]组装体中，从红色荧光到绿色磷光发射的转化示意图

图一、

（a）在水中加入CB[8]后ANPY的紫外吸收光谱变化（温度298 K，[ANPY] = 1.0 × 10⁻⁵ M，[CB[8]] = 0−2.4 × 10⁻⁵ M）；

（b）ANPY⊂CB[8]组装体的TEM图像；

（c）不同紫外光照射时间下ANPY⊂CB[8]组装体的紫外吸收光谱变化（λ = 365 nm，温度298 K，[ANPY] = [CB[8]] = 4.0 × 10⁻⁵ M）；

（d）紫外光光照前后ANPY的红外光谱。

图二、

（a）在水中加入CB[8]后ANPY的荧光光谱变化（温度298 K，[ANPY] = 4.0 × 10⁻⁵ M，[CB[8]] = 0−6.0 × 10⁻⁵ M）；

（b）ANPY⊂CB[8]在紫外光照射条件下光致发光光谱变化；

（c）ANPY⊂CB[8]组装体在613 nm处的寿命衰减曲线；

（d）AQPY⊂CB[8]组装体在529 nm处的寿命衰减曲线；

（e）ANPY⊂CB[8]组装体在连续紫外光照射（λ_ex = 365 nm，298 K）下的CIE 1931色度图；

（f）ANPY⊂CB[8]组装体在持续紫外光照射（λ_ex = 365 nm，298 K）下的发光图像。

图三、

（a）ANPY⊂CB[8]的优化分子空间构型；

（b）AQPY⊂CB[8]的优化分子空间构型；

（c）ANPY⊂CB[8]的能级图以及自旋轨道耦合系数；

（d）AQPY⊂CB[8]的能级图以及自旋轨道耦合系数；

（e）ANPY⊂CB[8]的电子/空穴分析（绿色和蓝色分别表示电子和空穴的分布）；

（f）AQPY⊂CB[8]的电子/空穴分析（绿色和蓝色分别表示电子和空穴的分布）。

图四、

（a-d）共染Hoechst 33342和ANPY⊂CB[8]的A549细胞的共聚焦图像；

（e-h）共染Lysotracker Blue和AQPY⊂CB[8]的A549细胞的共聚焦图像；

（i-l）ANPY⊂CB[8]组装体经紫外光照射30分钟后孵育A549细胞的共聚焦图像；

以上的实验参数设置为激发波长405 nm，[ANPY] = [AQPY] = [CB[8]] = 8.0 × 10⁻⁶ M。

【小结】

综上所述，作者通过ANPY和CB[8]之间的主客体络合作用构建了一种超分子发光纳米体系，实现了水溶液中荧光到磷光的转化，并成功应用于活细胞内双细胞器的靶向成像。在ANPY⊂CB[8]超分子聚合物中，CB[8]稳定的电荷转移相互作用可以扩大π共轭程度，最终显著增强其在613 nm处的红色荧光发射。同时，ANPY中的蒽基在紫外光照射下可转变成蒽醌基团，伴随着在529 nm处的强绿色磷光出现。这些具有组装诱导光致发光行为的超分子组装体在细胞核和溶酶体中具有不同的定位能力，并且定位区域可以通过光照持续时间进行调控。基于这些成果，作者认为这项研究在设计新型刺激响应材料以及在实现细胞内生理活动的原位动态可视化检测方面具有重要意义。

文献链接：Photooxidation-Driven Purely Organic Room-Temperature Phosphorescent Lysosome-Targeted Imaging, JACS, 2021, DOI: 10.1021/jacs.1c06741.

刘育教授简介

刘育，南开大学教授，1996年获国家杰出青年科学基金资助，2000年受聘为教育部长江学者特聘教授，2010年和2016年获中国侨界贡献奖，2012年评选为全国优秀科技工作者，2006年和2011年分别两次担任国家973重大研究计划项目首席科学家。在有机超分子化学和纳米超分子化学的研究方面做了大量系统工作，研究成果已在国内外核心刊物发表论文500多篇，论文SCI他引16000多次，h-index: 65；在国内外学术会议做大会和邀请报告50多次。主（参）英文专著9部、中文专著5部。获国家自然科学奖二等奖1项，省部级自然科学一等奖3项，二等奖3项，宝钢优秀教师特等奖1项和国家”十一五”科技计划执行突出贡献奖。曾任两届国务院学位委员会学科评议组成员、中国化学会常务理事、高等学校化学学报副主编，现任国际环糊精和葫芦脲协会顾问委员会委员、中国化学快报副主编、以及Aggregate、Asian J. Org. Chem.等7种杂志编委。

近两年来，南开大学刘育教授课题组系统地研究了大环主体诱导客体磷光增强效应，先后发表了多篇研究论文，例如，“客随主变助窜越，避重就轻长发光”（Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 6028–6032；Chem. Sci. 2019, 10, 7773–7778），“协同策略两相宜”（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 18748–18754），“水中磷光来成像”（Nat. Commun. 2020, 11, 4655），“分子折叠全窜越”（Adv. Mater. 2021, 33, 2007476）等。因此，刘育教授课题组受邀撰写了题为“Supramolecular Purely Organic Room-Temperature Phosphorescence”的综述论文(Acc. Chem. Res. DOI: 10.1021/acs.accounts.1c00336)。