馬拉毛草，馬恒昌

(1.西北師范大學(xué) 逸夫圖書(shū)館，甘肅 蘭州 730070；2.西北師范大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

2014年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給了發(fā)現(xiàn)超高分辨率熒光顯微技術(shù)的三位科學(xué)家，該技術(shù)的發(fā)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)一場(chǎng)細(xì)微至分子水平的熒光檢測(cè)技術(shù)變革[1-2]。在2001年，唐本忠院士研究小組首次提出“聚集誘導(dǎo)發(fā)光”(AIE)的概念突破了傳統(tǒng)熒光材料在聚集態(tài)時(shí)極易發(fā)生熒光猝滅(ACQ)的缺陷，實(shí)現(xiàn)了AIE材料在化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等各個(gè)方面的快速發(fā)展[3]。與ACQ熒光團(tuán)相反，聚集誘導(dǎo)發(fā)射(AIE)材料在單分子溶液中不發(fā)光或者發(fā)光很弱，但在聚集體形成時(shí)強(qiáng)烈地發(fā)射，熒光急劇增強(qiáng)[4]?？梢哉f(shuō)，AIE現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)為熒光材料領(lǐng)域提供了一個(gè)嶄新的研究方向。目前AIE熒光材料已很好地應(yīng)用在了生物成像、醫(yī)學(xué)診斷以及治療的各個(gè)方面，并取得了矚目的研究成果[5-6]、基于研究者們對(duì)于AIE研究的深切關(guān)注，RIM機(jī)制的AIEgens已經(jīng)開(kāi)發(fā)了許多，如四苯乙烯(TPE)[7]、六苯基噻咯(TPS)[8]、喹啉腈(QM)[9]和有機(jī)硼配合物[10]等。已有多種基于AIE傳感原理，總結(jié)如下：①自組裝與分析物形成高度發(fā)射通過(guò)各種非共價(jià)相互作用聚集，包括靜電、氫鍵、范德華和金屬-配體相互作用[11]；②與靶向配體的絡(luò)合，通過(guò)限制分子內(nèi)運(yùn)動(dòng)來(lái)識(shí)別分析物和開(kāi)啟熒光[12]；③與酶或特定化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)以裂解溶解促進(jìn)配體并降低溶解度以形成聚集體[13]；④光物理猝滅過(guò)程的破壞，例如光致電子轉(zhuǎn)移(PET)[14]、分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移(ICT)[15]和熒光共振能量轉(zhuǎn)移(FRET)[16]過(guò)程。本文綜述了AIE的產(chǎn)生機(jī)理以及在生物檢測(cè)方面的應(yīng)用，并對(duì)AIE材料在未來(lái)的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

1 AIE的機(jī)理

從AIE的機(jī)理出發(fā)研究潛在機(jī)制對(duì)于尋求光物理學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)非常重要。它將指導(dǎo)我們?cè)O(shè)計(jì)新型發(fā)光劑，探索實(shí)際應(yīng)用和促進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新的發(fā)展。自從2001年AIE概念出現(xiàn)以來(lái)，研究人員一直努力去揭示AIE現(xiàn)象的真正機(jī)制和原因。已經(jīng)假設(shè)了許多機(jī)理途徑，包括構(gòu)象平面化、J-聚集體形成、E/Z異構(gòu)化、扭曲分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移(TICT)和ESIPT[3]。本文對(duì)AIE產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行了總結(jié)，主要分為分子內(nèi)振動(dòng)受阻(RIR)[17]、分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)受阻(RIV)[18-19]和分子內(nèi)運(yùn)動(dòng)受限(RIM)[20-21]。

1.1 分子內(nèi)振動(dòng)受阻(RIR)

目前對(duì)于AIE機(jī)理的一種說(shuō)法是分子內(nèi)振動(dòng)受阻(RIR)，研究者們以六苯基噻咯(HPS)為例[17]，仔細(xì)研究了HPS的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在一個(gè)HPS分子中，噻咯核心共裝飾有六個(gè)苯基通過(guò)單鍵連接，分子像螺旋槳一樣構(gòu)造，外圍苯環(huán)和中心硅雜環(huán)平面之間存在大的扭轉(zhuǎn)角度。由于其高度扭曲以及和相鄰的苯環(huán)之間的空間位阻，一種致密的面對(duì)面堆疊結(jié)構(gòu)不可能存在，因此，HPS分子實(shí)際上在固態(tài)下沒(méi)有π-π堆疊相互作用。

1.2 分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)受阻(RIV)

1.3 分子內(nèi)運(yùn)動(dòng)受阻(RIM)

RIM機(jī)制是RIR和RIV機(jī)制的統(tǒng)一。RIM的結(jié)果說(shuō)明RIR和RIV機(jī)制不是相互排斥的，而是可以共同起作用來(lái)實(shí)現(xiàn)AIE現(xiàn)象。它可以試圖解釋和創(chuàng)造其它關(guān)于AIE的熒光材料的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，可以增強(qiáng)孤立單分子的非輻射衰減，然而結(jié)構(gòu)剛性阻擋這些無(wú)輻射通道，通過(guò)輻射通道引導(dǎo)激子的弛豫，即導(dǎo)致強(qiáng)烈的熒光發(fā)射[20-21]。

2 AIE熒光材料在生物檢測(cè)方面的應(yīng)用

在生活的各個(gè)領(lǐng)域中，對(duì)于物質(zhì)檢測(cè)仍然充滿(mǎn)著無(wú)限的吸引力，需要分析無(wú)數(shù)的生物物種，需要揭示、監(jiān)測(cè)甚至調(diào)節(jié)無(wú)數(shù)的生物/生理過(guò)程[22]。發(fā)光技術(shù)憑借其卓越的靈敏度、簡(jiǎn)單性、快速性、可視性、實(shí)時(shí)性和現(xiàn)場(chǎng)響應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)適用性、高時(shí)空分辨率、無(wú)創(chuàng)性等優(yōu)點(diǎn)，已成為生物應(yīng)用的理想選擇[23]。鑒于此，發(fā)光可以作為生物分析過(guò)程的直接可視化的有用工具[24]。如今，發(fā)光材料一直是科研領(lǐng)域熱點(diǎn)研究方向之一。各種各樣的發(fā)光材料，包括有機(jī)染料[25]、有機(jī)納米粒子[26]、無(wú)機(jī)納米粒子[27]和熒光蛋白[28]已被開(kāi)發(fā)并用作生物探針。

然而，大多數(shù)有機(jī)發(fā)光體通常具有ACQ效應(yīng)，一旦發(fā)光體分子聚集，由于π-π堆積，發(fā)光將部分或完全淬滅，這種效果極大地限制了它們作為生物探針的應(yīng)用[5]。與傳統(tǒng)的在聚集態(tài)下引起的ACQ材料相反，新出現(xiàn)的聚集誘導(dǎo)發(fā)射材料在聚集狀態(tài)下具有高發(fā)射效率、高信噪比、強(qiáng)光穩(wěn)定性和大斯托克斯移位，這為各種傳感材料應(yīng)用提供了獨(dú)特的機(jī)會(huì)[3]。

2.1 生物小分子識(shí)別探針

2.1.1 ATP檢測(cè)探針 在2017年，陸仲林課題組設(shè)計(jì)了一種AIE型的ATP分子探針[29]。由于Cu2+和5-三磷酸腺苷(ATP)在細(xì)胞代謝過(guò)程中起重要作用，因此建立人工化學(xué)傳感器檢測(cè)它們具有非常重要的意義[30]。作者基于四苯乙烯(TPE)兩親物在水溶液中自組裝產(chǎn)生聚集誘導(dǎo)發(fā)射(AIE)膠束，用于序列識(shí)別Cu2+和ATP，并且具有高選擇性和高靈敏度。具體思路是將Cu2+引入探針的100%水溶液中，就形成由探針和Cu2+以1∶2化學(xué)計(jì)量組成的復(fù)合物，導(dǎo)致顯著的熒光猝滅。在原位生成的Cu2+溶液中加入ATP可以很容易地恢復(fù)系統(tǒng)的熒光。Cu2+和ATP的檢測(cè)限(LoD)為1.0×10-7mol/L和1.5×10-6mol/L。該復(fù)合物均具有低細(xì)胞毒性和良好的細(xì)胞膜通透性，已成功應(yīng)用于HepG2細(xì)胞中的對(duì)Cu2+離子的檢測(cè)和ATP圖像。

2.1.2 Ag+檢測(cè)探針 在2017年，Atul Goel課題組設(shè)計(jì)了一個(gè)Ag+識(shí)別探針[12]。通過(guò)簡(jiǎn)便途徑合成新的四苯乙烯(TPE)結(jié)合物，該獨(dú)特的基于TPE的聚集誘導(dǎo)發(fā)射的化合物，當(dāng)研磨時(shí)發(fā)射從藍(lán)色變?yōu)榫G色時(shí)，顯示出明顯的壓致變色性質(zhì)，當(dāng)用溶劑還原時(shí)熒光發(fā)射從綠色又變到藍(lán)色。通過(guò)TPEN的壓致變色特性，可以制備用于安全文檔的無(wú)墨可重寫(xiě)紙。TPEN的詳細(xì)光物理研究表明，發(fā)現(xiàn)其對(duì)銀離子(Ag+)的敏感性高于其他金屬離子，在水系統(tǒng)中檢測(cè)限為0.25 μmol/L。在光物理研究中，在質(zhì)量分析和高分辨率質(zhì)譜分析的基礎(chǔ)上，TPEN和銀離子的絡(luò)合物的化學(xué)計(jì)量被確定為2∶1(TPEN∶Ag+)。

2.1.4 H2S檢測(cè)探針 目前溶酶體中H2S響應(yīng)性熒光探針通常具有ACQ現(xiàn)象并且遭受不可避免的背景熒光信號(hào)[32]。為了解決這個(gè)問(wèn)題，2018年，陳建課題組將具有H2S識(shí)別的聚集誘導(dǎo)發(fā)射材料與光致變色螺吡喃部分結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)出了新型光路轉(zhuǎn)換型AIE納米探針(DNBS-DCM-SP)[33]，用于溶酶體中H2S的檢測(cè)。在H2S存在下，吸電子DNBS部分將通過(guò)H2S誘導(dǎo)的Se—O鍵斷裂，在約592 nm處熒光發(fā)生明顯的增強(qiáng)。制備得到的納米探針顯示出良好的靈敏度(5.0 nmol/L)和高特異性(特別是針對(duì)其他硫醇)。此外，H2S激活的AIE納米探針(DCM-SP)的熒光可以通過(guò)選擇性熒光共振能量轉(zhuǎn)移(FRET)，通過(guò)交替的紫外/可見(jiàn)光照射從AIE熒光團(tuán)(DCM)可逆地切換到螺環(huán)吡喃的開(kāi)環(huán)狀態(tài)。并且，通過(guò)觀測(cè)活細(xì)胞內(nèi)源性H2S的產(chǎn)生以及可逆雙色熒光成像，也證明了制備的光可切換AIE納米探針的可行性。

2.1.5 氨基酸檢測(cè)探針 氨基酸作為構(gòu)成蛋白質(zhì)的基本單位，與基體正常表達(dá)有著非常直接的關(guān)系，因此，對(duì)于氨基酸的檢測(cè)顯得尤為重要[34]。2019年，馬驤課題組開(kāi)發(fā)了具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的紅色熒光發(fā)射材料，通過(guò)簡(jiǎn)單地將共同電子給體(D)和受體(A)通過(guò)π橋結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種具有分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移(ICT)效應(yīng)的新型簡(jiǎn)單AIE活性紅色發(fā)光體，并通過(guò)逐步不對(duì)稱(chēng)Knoevenagel縮合簡(jiǎn)便地合成。其AIE屬性來(lái)自非平面3D配置和多個(gè)轉(zhuǎn)子，ICT效應(yīng)源于其D-A電子結(jié)構(gòu)[35]。這種醛基官能化的AIEgen具有以點(diǎn)亮方式特異性檢測(cè)含巰基氨基酸的能力，在2 min內(nèi)具有顯著的熒光藍(lán)移。動(dòng)力學(xué)的顯著差異使得該探針能夠區(qū)分半胱氨酸(Cys)和同型半胱氨酸(Hcy)與谷胱甘肽(GSH)。更重要的是，它顯示出對(duì)Ccy的Hcy更高的敏感性。此外，當(dāng)Cys濃度高于250 μmol/L時(shí)，顯著的熒光增強(qiáng)和Hcy的紫外-可見(jiàn)吸收光譜中的明顯藍(lán)移顯示出該AIEgen可用作Cys/Hcy相關(guān)指示劑的潛力。

2.2 生物大分子識(shí)別探針

由于臨床診斷的強(qiáng)烈要求，生物大分子的熒光傳感引起了人們的廣泛關(guān)注。已經(jīng)開(kāi)發(fā)出AIE傳感器用于感測(cè)各種生物大分子，例如霍亂毒素[36]、凝集素[37]、γ-球蛋白[38]和G-四鏈體DNA[39]。

2.2.1 肝素識(shí)別探針 近年來(lái)，用于構(gòu)造人工功能材料的分級(jí)自組裝研究引起了人們的廣泛關(guān)注?；谂湮绘I的離散金屬環(huán)已被證明是通過(guò)分級(jí)自組裝制造各種超分子聚合物或智能軟物質(zhì)的有效途徑。

在2015年，楊海波課題組通過(guò)多次靜電相互作用，利用有機(jī)鉑(II)金屬環(huán)骨架的正電荷，提出了離散金屬環(huán)的分級(jí)自組裝的第一個(gè)例子[40]。肝素是一種廣泛用作抗凝血藥物的硫酸化糖胺聚糖聚合物，由于存在多種負(fù)電荷，因此被選擇用于誘導(dǎo)分級(jí)自組裝。為了研究分級(jí)自組裝過(guò)程，通過(guò)配位驅(qū)動(dòng)的自組裝將聚集誘導(dǎo)發(fā)射(AIE)活性部分四苯基乙烯(TPE)引入金屬環(huán)。光物理研究表明，在tris-TPE金屬環(huán)狀溶液中加入肝素可以顯著增強(qiáng)熒光，這有助于金屬環(huán)和肝素之間的聚集，這是由多種靜電相互作用驅(qū)動(dòng)的。此外，通過(guò)SEM、TEM和LSCM實(shí)驗(yàn)檢測(cè)到的糾纏珍珠項(xiàng)鏈網(wǎng)絡(luò)是通過(guò)分層自組裝獲得的。特別地，在AFM和TEM圖像中觀察到單珠狀鏈，其為帶正電荷的金屬環(huán)和帶負(fù)電荷的肝素的聚集提供直接的視覺(jué)證據(jù)。更有趣的是，進(jìn)一步的光學(xué)研究表明，這種TPE裝飾的金屬環(huán)可以作為肝素檢測(cè)的開(kāi)啟熒光探針，具有高靈敏度和高選擇性。

2.2.2 半胱天冬酶-3識(shí)別探針 在2016年劉斌課題組報(bào)道了一種自我驗(yàn)證的熒光探針[41]，其由作為能量供體的香豆素?zé)晒鈭F(tuán)和具有聚集誘導(dǎo)的發(fā)射特征的熒光劑(AIEgen)組成，作為通過(guò)半胱天冬酶-3特異性肽底物連接的能量猝滅劑。與傳統(tǒng)上廣泛研究的熒光共振能量轉(zhuǎn)移(FRET)探針不同，該課題組設(shè)計(jì)的新一代FRET探針本身是非熒光的，因?yàn)槟芰哭D(zhuǎn)移以及通過(guò)AIEgen的自由分子運(yùn)動(dòng)耗散受體能量。在與半胱天冬酶-3相互作用后，由于供體-猝滅劑的分離和釋放的AIEgen的聚集，探針同步顯示強(qiáng)綠色和紅色熒光信號(hào)。雙信號(hào)放大的熒光開(kāi)啟允許實(shí)時(shí)和自我驗(yàn)證的酶檢測(cè)具有高信號(hào)背景比，提供了以實(shí)時(shí)方式準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)各種生物過(guò)程的良好機(jī)會(huì)。

2.2.3β-半乳糖苷酶識(shí)別探針 在2017年，王江國(guó)課題組開(kāi)發(fā)了一種β-半乳糖苷酶的檢測(cè)探針[42]。首先，作者通過(guò)測(cè)量其正辛醇/水分配系數(shù)(logP)來(lái)評(píng)估TPE-Gal的親水性。TPE-Gal的logP確定為0.6，表明其兩親特性，這有利于細(xì)胞滲透。還使用MTT方法研究了TPE-Gal對(duì)HeLa細(xì)胞的細(xì)胞毒性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)細(xì)胞活力幾乎不受10 mmol/L TPE-Gal的影響，表明TPE-Gal的細(xì)胞毒性低。然后建立模型，利用來(lái)自人卵巢癌患者的OVCAR-3細(xì)胞已證實(shí)內(nèi)源性b-半乳糖苷酶，TPE-Gal的過(guò)度表達(dá)，顯示內(nèi)源性b-半乳糖苷酶的明顯增亮成像，并且，信號(hào)被點(diǎn)亮后又急劇下降?？傊?，鑒于TPE-Gal的簡(jiǎn)單性，高特異性和生物相容性，這種策略可能在癌癥診斷和評(píng)估癌癥化療的效率方面具有很高的應(yīng)用潛力。

2.2.4 堿性磷酸酶(ALP)識(shí)別探針 2014年，唐本忠課題組通過(guò)對(duì)2′-羥基查爾酮的簡(jiǎn)單修飾，開(kāi)發(fā)了一種新型比率熒光生物探針[43]，具有AIE特征和ESPIT特性，可用于緩沖液和血清樣品中的ALP活性測(cè)定。在存在ALP的情況下，生物探針的發(fā)射從黃綠色變?yōu)榧t色。生物探針能夠在0～150 mU/mL的濃度范圍內(nèi)進(jìn)行ALP檢測(cè)，檢測(cè)限為0.15 mU/mL，與以前的文獻(xiàn)相比具有突出的優(yōu)勢(shì)。此外，酶殘留物的紅色發(fā)射可防止血清樣品的自發(fā)熒光干擾。熒光探針還可用于檢測(cè)細(xì)胞間液中的ALP和相應(yīng)活細(xì)胞的可視化。分子設(shè)計(jì)策略提供了一個(gè)綜合實(shí)例，利用天然產(chǎn)物構(gòu)建具有高靈敏度和聚集狀態(tài)的紅色熒光發(fā)射的比率熒光探針。

3 結(jié)論與展望

本文從AIE的機(jī)理出發(fā)，闡述了AIE的發(fā)光機(jī)制，總結(jié)了基于AIEgen材料在生物檢測(cè)方面的一些最新進(jìn)展。AIEgens在生物應(yīng)用方面非常有前途。在熒光生物成像和治療診斷過(guò)程中，通過(guò)巧妙的生物探針設(shè)計(jì)，AIEgens的“點(diǎn)亮”適用于識(shí)別各種生物分析物，包括核酸、蛋白質(zhì)和其他大分子，以及細(xì)胞內(nèi)狀態(tài)等。此外，如果在這些AIE應(yīng)用中使用親水設(shè)計(jì)，也可以實(shí)現(xiàn)無(wú)洗滌檢測(cè)，這對(duì)于高精度和高可靠性的生物過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)具有重要意義?？偠灾珹IE材料應(yīng)用的大門(mén)已經(jīng)打開(kāi)，更多的應(yīng)用探究還需要研究者們?nèi)ダ^續(xù)探索。