Chemistry-A European Journal邀请综述：杂化荧光团的理性设计与生物应用

原创 OBP课题组有机生物医学光子学课题组 2023-12-10 14:02

荧光团的不断迭代得益于化学、生物学、医学和材料学等多学科的深度融合和不断进步。在不同类型的荧光材料中，有机荧光团因其摩尔消光吸收系数大和荧光量子产率高、生物相容性好、结构调节容易等优点而受到广泛关注，被认为是生物应用领域中强大的分子工具。其可以为细胞结构、微环境和生化进程的可视化提供支持，也可为生物系统各种活性因子提供定性和定量分析，在荧光成像、生化传感和光学诊疗等诸多领域中发挥着关键作用。

然而，大多数荧光团在光物理性质方面表现不够全面，不能满足其在生物医学领域应用多样化的要求。迄今为止，已经广泛应用的经典有机荧光团包含氧杂蒽类（罗丹明和荧光素等）、花菁类、BODIPY和香豆素，但它们的性质都有短板，例如斯托克斯位移小、荧光量子产率低、生物相容性差等，这限制了它们在复杂生物环境中的应用。杂化作为分子工程的重要策略（图1），在分子水平上融合两个或者两个以上荧光团，发挥它们各自的优势，互补协同，同时孕育新的性质，应用潜力巨大。

图1 杂化荧光基团设计原理

基于以上背景，OBP课题组近期在Chemistry - A European Journal发表了题为“Rational Design and Biological Application of Hybrid Fluorophores”的综述文章，系统全面地概述了四类经典荧光团（氧杂蒽、花菁、香豆素和BODIPY）的杂化策略（图2），重点介绍了它们的构效关系和生物学应用，旨在系统梳理荧光团知识库，为生物医学领域新型荧光团的理性设计提供合理思路。

图2 杂化荧光团示例

根据连接方式的不同，杂化荧光团可以分为共轭杂化荧光团和非共轭杂化荧光团两大类。作者分别对两种杂化类型进行了详细介绍。共轭杂化荧光团主要通过烯烃、炔烃或苯基进行杂化，也可以通过共用结构的基本骨架或直接紧密连接到荧光团的主骨架进行杂化。本文将氧杂蒽、花菁、香豆素和BODIPY四种荧光基团的共轭杂化分为七个小类：（1）氧杂蒽-花菁共轭杂化荧光团；（2）氧杂蒽-香豆素共轭杂化荧光团；（3）氧杂蒽-BODIPY共轭杂化荧光团；（4）BODIPY-花菁共轭杂化荧光团；（5）BODIPY-香豆素共轭杂化荧光团；（6）香豆素-花菁共轭杂化荧光团；（7）低聚共轭杂化荧光团。而共骨架杂化主要集中在氧杂蒽-香豆素偶联的杂化荧光团上。这些杂化荧光团的性质受到许多因素的影响，如连接键的种类和连接位置等。以氧杂蒽-花菁共轭杂化荧光团为例，图3和表1分别列出了的常见结构和光物理性质。

图3 氧杂蒽-花菁共轭杂化荧光团

表1 氧杂蒽-花菁共轭杂化荧光团的光物理性质

非共轭杂化荧光团的结合模式也呈现出多样性。在结构上，非共轭形式的脂肪链是参与杂化的荧光基团之间的主要连接模式。吡嗪、1, 2, 3-三嗪和对苯二胺是脂肪链中的常见基团。作者将非共轭杂化荧光团分为五小类：（1）氧杂蒽-花菁非共轭杂化荧光团；（2）氧杂蒽-BODIPY非共轭杂化荧光团；（3）氧杂蒽-香豆素非共轭杂化荧光团；（4）BODIPY-香豆素非共轭杂化荧光基团；（5）低聚非共轭杂化荧光基团。以氧杂蒽-花菁非共轭杂化荧光团为例，图4和表2分别列出了的常见结构和光物理性质。

图4 氧杂蒽-花菁非共轭杂化荧光团

表2 氧杂蒽-花菁非共轭杂化荧光基团的光物理性质

荧光团作为光介导治疗中探针和光敏剂的关键分子工具，在光学治疗疗如光动力治疗（PDT）和光热治疗（PTT）中发挥着重要作用。荧光团之间的合理杂交扩大了它们的多样性，使它们能够在生物应用中有效发挥作用，据此本文分别对杂化荧光团在生化检测和光学诊疗领域的应用进行了举例分析。

图5 氧杂蒽-花菁共轭杂化荧光团用于活体动物内源性HClO生物成像

文章最后，作者总结了杂化荧光团的连接键的方式（表3），深入讨论了荧光团的分子结构、性质与应用之间的关系，对新型杂化荧光团的设计进行了展望。

表3 共轭和非共轭杂化荧光基团的连接键方式

论文链接：https://doi.org/10.1002/chem.202303208

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