江龍，王開杰，孔晴，陸晟，陳小強(qiáng)

（南京工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，材料化學(xué)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京211816）

引 言

化學(xué)發(fā)光不需要外部光源的激發(fā)，是由分子間特定的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的光發(fā)射現(xiàn)象，特定的化學(xué)反應(yīng)一般是指經(jīng)過氧化還原反應(yīng)使分子處于高能態(tài)，隨后躍遷至基態(tài)而產(chǎn)生的化學(xué)發(fā)光，這種發(fā)光現(xiàn)象避免了外部光源激發(fā)所引起的光散射和自體熒光的干擾，具有高靈敏度、高精確度等優(yōu)點(diǎn)。常見的化學(xué)發(fā)光主要分為四大類：一是魯米諾及其衍生物類，該類化學(xué)發(fā)光在堿性環(huán)境中發(fā)射藍(lán)色光[1]，主要被應(yīng)用于胺、多肽、硫醇的標(biāo)記中[2-6]；二是光澤精及吖啶酯類，同樣此類化學(xué)發(fā)光也需要在堿性溶液中進(jìn)行，由于該類化學(xué)發(fā)光體系有量子產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)，主要用于抗壞血酸、多巴胺、免疫球蛋白、酶、光遺傳學(xué)等試劑的檢測[7-11]；三是過氧化草酸酯類，該類化學(xué)發(fā)光探針最大的亮點(diǎn)是發(fā)光最適宜的pH 為7.5，接近人體生理?xiàng)l件[12-14]，主要應(yīng)用于活性氧過氧化氫、免疫學(xué)分析[15-21]；最后一類是1,2-二氧雜環(huán)丁烷類。相較于前三類而言，1,2-二氧雜環(huán)丁烷類不需要額外的氧化劑(雙氧水、氧氣、高錳酸鉀等)參與，簡化了分析過程，提高了檢測靈敏度，擴(kuò)大了化學(xué)發(fā)光的應(yīng)用領(lǐng)域。

20 世紀(jì)80 年代，自Schaap 課題組報(bào)道第一例1,2-二氧雜環(huán)類化學(xué)發(fā)光探針以來，眾多科研工作者對(duì)該類探針進(jìn)行了廣泛探索[22-27]?；谏鲜?,2-二氧雜環(huán)丁烷類化學(xué)發(fā)光的諸多優(yōu)點(diǎn)，該類探針被廣泛應(yīng)用在離子、活性氧硫、生物標(biāo)志酶的識(shí)別以及發(fā)光材料等四大方面。其發(fā)光機(jī)理如圖1所示。

圖1 金剛烷-二氧雜環(huán)丁烷的發(fā)光機(jī)理Fig.1 Luminescence mechanism of adamantane-dioxane

保護(hù)基(PG)在特定的反應(yīng)條件下脫去形成酚氧負(fù)離子，經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)引發(fā)電子交換發(fā)光機(jī)制(CIEEL)分解產(chǎn)生激發(fā)態(tài)的苯甲酸酯，隨后躍遷回基態(tài)而產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光[27-28]。本綜述著重介紹近幾年來金剛烷-二氧雜環(huán)丁烷類化學(xué)發(fā)光探針在離子檢測、活性物種、酶識(shí)別以及化學(xué)發(fā)光材料方面的進(jìn)展。

1 氟離子檢測

陰離子在生物組織生長中起著重要的作用，因此近年來開發(fā)陰離子檢測和識(shí)別的方法備受關(guān)注。氟是人體重要的微量元素之一，氟化物主要以氟離子的形式存在，其主要分布在人體的骨骼和牙齒中，適量的氟含量能預(yù)防骨骼疏松和齲齒等疾病[29-31]，過量的氟攝入可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)石或者癌癥的發(fā)生[32-33]。

2014 年Akkaya 課題組[34]報(bào)道了檢測F-的化學(xué)發(fā)光探針1(圖2)。該探針結(jié)構(gòu)高度對(duì)稱，且分子結(jié)構(gòu)中存在兩個(gè)自脫除的基團(tuán)，探針選擇性識(shí)別F-后，分子內(nèi)發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，脫去兩個(gè)CO2分子，相對(duì)于只含一個(gè)發(fā)光團(tuán)的探針結(jié)構(gòu)，增加了發(fā)光團(tuán)的數(shù)量，從而增強(qiáng)了化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度。2017 年，該課題組在探針1的基礎(chǔ)上開發(fā)了另外一種用于選擇性檢測F-的化學(xué)發(fā)光探針2[35](圖3)。與探針1 不同的是該分子是一種自反饋型探針，該探針在選擇性識(shí)別F-后，本身又會(huì)自發(fā)地釋放F-，進(jìn)一步增加了裂解后的探針數(shù)量，增強(qiáng)了化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度。該探針?biāo)苄暂^差、量子產(chǎn)率低的缺點(diǎn)，限制了其使用范圍。因此，此類氟離子探針的水溶性和量子產(chǎn)率有待進(jìn)一步提高。

圖2 探針1的分子結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of probe 1

圖3 探針2的分子結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of probe 2

圖4 探針3和4的分子結(jié)構(gòu)Fig.4 Structures of probes 3,4

2019年本課題組Gu等[36]報(bào)道了基于金剛烷-二氧雜環(huán)丁烷的化學(xué)發(fā)光探針3(圖4)，并在3 的識(shí)別基團(tuán)鄰位引入吸電子基團(tuán)丙烯酸甲酯得到探針4(圖4)，其化學(xué)發(fā)光壽命和波長得到很大的改善。在此基礎(chǔ)上分別構(gòu)建了與表面活性劑Emerald-Ⅱ聯(lián)用的復(fù)合體系，實(shí)現(xiàn)了水溶液和生物體內(nèi)氟離子的檢測，且具有很好的選擇性和較低的生物毒性。

2 活性物種的檢測

生物活性物種，主要包括活性氧、活性氮、活性硫等，是細(xì)胞內(nèi)重要的一類分子，參與細(xì)胞內(nèi)信號(hào)的傳導(dǎo)、免疫與代謝等生物學(xué)事件。在生物體內(nèi)，這些活性物種的水平異常與心血管疾病、癌癥等重大疾病[37-39]的發(fā)生有很高相關(guān)性。檢測活性物種的方法一般有電子順磁共振法[40]、熒光分析法[41]、高效液相色譜法[42]、化學(xué)發(fā)光法等。化學(xué)發(fā)光法因其具有高信噪比、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，已成為目前最主要檢測活性物種的分析方法之一。

Cao 等[43]在2015 年報(bào)道了3 例基于1,2-二氧雜環(huán)的化學(xué)發(fā)光探針5、6、7(圖5)，并比較了這三種探針對(duì)H2S的檢測性能。在加檢測物后，5、6、7三種探針發(fā)光強(qiáng)度分別增加了5 倍、4 倍、12 倍。由此可見苯環(huán)上X 位置被Cl 取代后的探針7 發(fā)光效果最好，其檢測限為5.4 μmol/L。影響化學(xué)發(fā)光的因素是苯酚-酚氧負(fù)離子之間的平衡和苯酚氧原子上的電荷密度。在pH 為7.4 的條件下，這三例探針的發(fā)光強(qiáng)度是由前者決定的，而探針7是最容易電離的，因此發(fā)射出最強(qiáng)的化學(xué)發(fā)光。這為進(jìn)一步開發(fā)適用于生理環(huán)境的化學(xué)發(fā)光探針提供了研究基礎(chǔ)。

圖5 探針5～7的分子結(jié)構(gòu)Fig.5 Structures of probes 5—7

2017 年Hananya 等[44]報(bào)道了一種用于檢測1O2的化學(xué)發(fā)光探針8、9(圖6)。探針8可以和1O2反應(yīng)形成二氧雜環(huán)丁烷，隨后二氧雜環(huán)丁烷經(jīng)化學(xué)激發(fā)分解，從而釋放出非常強(qiáng)的綠光。為了能夠?qū)崿F(xiàn)在細(xì)胞中對(duì)1O2的檢測，將細(xì)胞穿透肽(CPP)連接到探針8的丙烯酸基團(tuán)上得到探針9。在熒光共聚焦顯微鏡下可以觀察到探針9 可以很好地滲透入HeLa 細(xì)胞中成像[圖6（b）]。最后，探針9可以在光動(dòng)力療法作用模式下對(duì)HeLa細(xì)胞內(nèi)的1O2實(shí)現(xiàn)了有效的檢測和成像[圖6（b）]。這為化學(xué)發(fā)光探針進(jìn)入細(xì)胞實(shí)現(xiàn)自發(fā)光成像提供了新的策略。

Turan 課題組[45]報(bào)道了2 個(gè)基于二氧雜環(huán)丁烷的化學(xué)發(fā)光探針10、11(圖7)，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)H2O2的檢測。在向探針10 和11 的溶液中加入H2O2后，都可以觀察到亮藍(lán)色的光，兩例探針的檢測限分別為240 μmol/L 和75 μmol/L，探針11 具有更低的檢測限，并且在加入同等量的H2O2后，探針11 的發(fā)光強(qiáng)度更強(qiáng)。作者對(duì)檢測機(jī)理進(jìn)行了探究，認(rèn)為探針11的發(fā)光強(qiáng)度更強(qiáng)是因?yàn)樵撎结樅袃蓚€(gè)自脫除的基團(tuán)，增加了激發(fā)的化學(xué)發(fā)光基團(tuán)數(shù)量，從而增強(qiáng)了化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度。這種增強(qiáng)化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度的方式為其他發(fā)光探針的設(shè)計(jì)提供了有益的探索。

由于熒光探針需要外部激發(fā)光的激發(fā)，由外部激發(fā)光所帶來的光散射常常對(duì)檢測造成干擾，而自發(fā)光不需要外部激光的導(dǎo)入，因此規(guī)避了以上缺陷。2018年，Yang課題組[46]根據(jù)Payne/Dakin反應(yīng)機(jī)理，設(shè)計(jì)并合成了基于熒光發(fā)射用于檢測H2O2的熒光探針12 和13(圖8)。2020 年，同樣基于該檢測機(jī)理，Ye 等[47]合作報(bào)道了一例可用于細(xì)胞和動(dòng)物活體中過氧化氫實(shí)時(shí)監(jiān)測的化學(xué)發(fā)光探針14(圖8)。在沒有任何激發(fā)光的存在下，探針14 溶液中加入10個(gè)當(dāng)量的H2O2后，該溶液的發(fā)光強(qiáng)度在3 min 內(nèi)提高了430 倍。其機(jī)理在于探針14 與H2O2反應(yīng)后，水楊醛被氧化為鄰苯二酚，隨后進(jìn)行醚裂解，最后進(jìn)行化學(xué)激發(fā)從而釋放化學(xué)發(fā)光。

圖6 探針8化學(xué)發(fā)光機(jī)理(a)及探針9細(xì)胞滲透共聚焦熒光成像與檢測1O2的細(xì)胞成像圖(b)[44]Fig.6 Chemiluminescence mechanism of probe 8(a)and cell permeability confocal fluorescence imaging and cell imaging for detection of 1O2 of probe 9(b)

圖7 探針10、11的分子結(jié)構(gòu)Fig.7 Structures of probes 10,11

圖8 探針12～14的分子結(jié)構(gòu)及發(fā)光機(jī)理Fig.8 Structures and luminescence mechanism of probes 12—14

3 酶的檢測

酶是生物體內(nèi)一種重要的生物大分子，生物體內(nèi)各種生物事件的運(yùn)轉(zhuǎn)都離不開酶的參與，另外酶的活性還與腫瘤疾病的發(fā)生有關(guān)[48]。目前判斷腫瘤的惡化程度常通過核磁共振、正電子發(fā)射斷層掃描等技術(shù)，這類方法比較煩瑣且分辨率較低。隨著人們對(duì)酶的認(rèn)識(shí)越來越深入，發(fā)現(xiàn)多種酶在腫瘤中的表達(dá)異于正常組織，因此，酶的過量表達(dá)常作為腫瘤標(biāo)志物來判斷疾病的發(fā)生，例如β-半乳糖苷酶[49]、硝基還原酶[50-52]、組織蛋白酶B[53]等常常作為腫瘤的標(biāo)志酶。

圖9 探針15的分子結(jié)構(gòu)Fig.9 Structure of probe 15

Gnaim 等[54]報(bào)道了通過化學(xué)發(fā)光模式實(shí)時(shí)監(jiān)測藥物前體探針15 在細(xì)胞內(nèi)被活化的過程(圖9)。他們選擇了單甲基澳瑞他汀E并將其修飾制備了藥物前體，該藥物前體可被β-半乳糖苷酶激活。在β-半乳糖苷酶的存在下，藥物前體被活化伴隨著綠光的發(fā)射，發(fā)光強(qiáng)度隨著藥物前體濃度的增加而增加。這種以化學(xué)發(fā)光監(jiān)控藥物的釋放具有低背景干擾等優(yōu)點(diǎn)，因此具有很大的應(yīng)用空間。

Eilon-Shaffer 等[55]報(bào)道了兩種基于二氧雜環(huán)丁烷的化學(xué)發(fā)光探針16和17用于識(shí)別β-半乳糖苷酶(圖10)。兩個(gè)探針的區(qū)別是探針17在酚羥基的鄰位引入了吸電子基——氯。酚環(huán)上的氯取代基是為了在切割β-半乳糖苷酶底物后降低所釋放發(fā)射物的pKa值，這樣的pKa可以使二氧雜環(huán)丁烷的化學(xué)激發(fā)在生理?xiàng)l件下發(fā)生。在pH 等于5.5時(shí)，探針17具有更高的發(fā)光信號(hào)，約是探針16 的20 倍，另外，探針17 的光穩(wěn)定性比16 的更好。在細(xì)胞成像中，兩個(gè)探針和CT26-LacZ 在相同條件下共孵育后，觀察到探針17 的發(fā)光強(qiáng)度更高，約是探針16 的10 倍。為了更好地使探針在細(xì)胞內(nèi)成像，他們在探針16和17 的結(jié)構(gòu)中引入了具有高溶解度和腫瘤定位作用的多肽-CGKRK，得到探針18、19。探針19 實(shí)現(xiàn)了患有CT26-Lac Z腫瘤小鼠體內(nèi)的化學(xué)發(fā)光成像。

一直以來，在水環(huán)境下金剛烷-二氧雜環(huán)丁烷類化學(xué)發(fā)光探針的化學(xué)發(fā)光效率較低，為了解決這一難題，可將探針與環(huán)糊精結(jié)合形成超分子化合物，該超分子化合物的水溶性和發(fā)射波長得到了很大改善?；诖耍珿naim 等[56]報(bào)道了二氧雜環(huán)丁烷化學(xué)發(fā)光探針20、23 和環(huán)糊精(TMCD)形成1∶1 主客體復(fù)合物探針21、22、24(圖11)。在水溶液中，探針20幾乎不發(fā)光，而形成的主客體復(fù)合物21則會(huì)發(fā)出亮光，強(qiáng)度約為探針20 的60 倍。隨后，將熒光素染料共價(jià)連接到TMCD 上，得到化合物TMCD-FITC，再將探針20 包進(jìn)TMCD-FITC 得到新的超分子復(fù)合物22。在水溶液中，復(fù)合物22的發(fā)光強(qiáng)度約是探針20 的1500 倍。為了實(shí)現(xiàn)這種主客體復(fù)合物在體內(nèi)外成像的應(yīng)用，他們將化學(xué)發(fā)光探針23 和TMCDFITC 結(jié)合得到復(fù)合物24，復(fù)合物24 在HEK-293-LacZ 細(xì)胞中進(jìn)行孵育，隨后觀察到了很強(qiáng)的化學(xué)發(fā)光信號(hào)。

Cheng 等[57]報(bào)道了一例用于肝中毒過程檢測的化學(xué)發(fā)光探針25(圖12)。該研究的亮點(diǎn)在于包含兩個(gè)成像通道——近紅外和化學(xué)發(fā)光通道，即探針既可以通過化學(xué)發(fā)光通道檢測超氧負(fù)離子(O2?-，CF3SO3—為其識(shí)別基團(tuán))，也可以通過近紅外通道檢測Caspase-3(-DVED-AC 為其識(shí)別基團(tuán))，且兩通道之間相互獨(dú)立，互不影響。在肝中毒小鼠模型中也成功驗(yàn)證了探針25的雙功能成像能力。另外，用探針25 檢測到肝中毒的時(shí)間比組織學(xué)分析提前了17.5 h，這充分體現(xiàn)了化學(xué)發(fā)光法在生物檢測和成像應(yīng)用中的優(yōu)勢。

圖10 探針16～19的分子結(jié)構(gòu)及探針19的腫瘤活體成像圖[55]Fig.10 Structures of probes 16—19 and in vivo tumor imaging of probe 19[55]

圖11 探針20～24的分子結(jié)構(gòu)Fig.11 Structures of probes 20—24

Das 等[58]合作報(bào)道了一種基于碳青霉烯功能化的化學(xué)發(fā)光探針26，該探針可以成功檢測活細(xì)菌中碳青霉烯酶的活性（圖13）。探針26 作為碳青霉烯酶的底物可被該酶選擇性水解，然后進(jìn)行1,6-消除反應(yīng)，并通過快速化學(xué)激發(fā)發(fā)射出綠光。探針對(duì)碳青霉烯酶的檢測限低至0.06 mU/ml。

圖12 探針25的分子結(jié)構(gòu)及發(fā)光機(jī)理Fig.12 Structure and luminescence mechanism of probe 25

圖13 探針26的分子結(jié)構(gòu)Fig.13 Structure of probe 26

乏氧是實(shí)體腫瘤的常見特征，這是由氧氣供需不平衡引起的。隨著腫瘤細(xì)胞中乏氧的產(chǎn)生，硝基還原酶(NTR)表達(dá)水平會(huì)提高。因此NTR 可作為生物乏氧的常見標(biāo)志，廣泛用于評(píng)估腫瘤的乏氧程度。Sun 等[59]報(bào)道了一種高水溶性化學(xué)發(fā)光探針27，該探針可用于動(dòng)物體內(nèi)硝基還原酶(NTR)的高靈敏度檢測和成像（圖14）。探針本身不發(fā)光，而接觸NTR 后，探針分子對(duì)硝基芐基部分轉(zhuǎn)化為4-羥胺芐基，然后進(jìn)行1,6-重排消除并引發(fā)電子轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致二氧雜環(huán)丁烷分解，隨后產(chǎn)生強(qiáng)化學(xué)發(fā)光輸出信號(hào)。經(jīng)硝基還原酶處理后，探針27發(fā)光強(qiáng)度增加了6000倍，化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度與NTR 濃度在3～55 ng/ml 范圍內(nèi)呈正比，檢測限低至0.947 ng/ml。此外，探針27 成功監(jiān)測了腫瘤小鼠在不同氧含量(100%、21%、7%～10%)條件下的內(nèi)源性NTR成像。

同樣，Cao 等[60]設(shè)計(jì)報(bào)道了兩種基于金剛烷-1,2-二氧雜環(huán)丁烷化學(xué)發(fā)光反應(yīng)的成像探針28和29，它們在生理pH 下與硝基還原酶反應(yīng)后均可立即發(fā)光（圖15）。但探針28 與硝基還原酶反應(yīng)后發(fā)光強(qiáng)度只增加了約5 倍，而探針29 增加了約170 倍。另外，探針29 的選擇性也明顯優(yōu)于探針28，這是由于探針29分子中的醚鍵更穩(wěn)定，導(dǎo)致發(fā)光背景大大降低。此外，探針29還成功應(yīng)用于乏氧條件下硝基還原酶的體內(nèi)成像。

圖14 探針27的分子結(jié)構(gòu)及在不同氧氣含量下的活體成像圖[59]Fig.14 Structure of probe 27 and in vivo imaging under different oxygen conditions[59]

圖15 探針28、29的分子結(jié)構(gòu)及探針29的活體成像圖[60]Fig.15 Structures of probes 28,29 and in vivo imaging of probe 29[60]

Shabat 課題組[61]首次報(bào)道了用于組織蛋白酶B檢測和成像的化學(xué)發(fā)光探針30、31、32、33(圖16)。在向上述4 例探針溶液中加入組織蛋白酶B 后均觀察到化學(xué)發(fā)光，其中，探針33 的檢測限為76.29 μU/ml。更重要的是探針33 的發(fā)光強(qiáng)度遠(yuǎn)高于其他三個(gè)探針，這可能是因?yàn)樵撎结樤谔结?2的結(jié)構(gòu)上引入了水溶性強(qiáng)且具有定位作用的多肽KAPGC。隨后，對(duì)探針33 進(jìn)行了細(xì)胞成像研究，在該探針和Raw 264.7、CT26 分別進(jìn)行孵育后化學(xué)發(fā)光產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)了對(duì)細(xì)胞中組織蛋白酶B的檢測。

Zhang 等[62]在2020 年報(bào)道了基于次序激活的雙重鎖定化學(xué)發(fā)光染料探針34、35(圖17)。設(shè)計(jì)新策略是將識(shí)別過程和光子釋放過程次序觸發(fā)，成功實(shí)現(xiàn)了檢測物的特異性識(shí)別與光控的次序性響應(yīng)。底物分子首先與分析物通過識(shí)別作用生成具有穩(wěn)定的化學(xué)發(fā)光中間體，該中間體是導(dǎo)致化學(xué)發(fā)光的關(guān)鍵，并隨著識(shí)別過程逐漸累積；隨后，在光控作用下生成1,2-二氧雜環(huán)丁烷的高能結(jié)構(gòu)，最后釋放出明亮的化學(xué)發(fā)光。利用該策略設(shè)計(jì)合成了檢測β-半乳糖苷酶的探針34 以及活性氧過氧化氫的探針35。這種雙鎖-次序性響應(yīng)的設(shè)計(jì)新策略，有效地解決了傳統(tǒng)輝光型發(fā)光檢測過程的光子不可控、發(fā)光信號(hào)弱的難題。

金剛烷-二氧雜環(huán)丁烷類化學(xué)發(fā)光探針因其本身發(fā)光效率低，發(fā)射波長短，使其在細(xì)胞及活體應(yīng)用中受到了一定的限制。但經(jīng)過相應(yīng)結(jié)構(gòu)的修飾，比如引入環(huán)糊精、強(qiáng)吸電子基團(tuán)、細(xì)胞穿透肽等，其發(fā)光強(qiáng)度及水溶性得到很大的改善?；诖?，該類探針已被廣泛應(yīng)用于細(xì)胞及活體中的酶活性檢測。

4 化學(xué)發(fā)光材料

單分子化學(xué)發(fā)光探針存在兩個(gè)不足：(1)發(fā)射波長較短；(2)水溶性、穩(wěn)定性較差。這些不足之處限制了其在生物學(xué)上的應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，很多研究著重于解決上述問題。解決方法主要是把該類化學(xué)發(fā)光探針與環(huán)糊精復(fù)合構(gòu)成超分子體系或者與半導(dǎo)體結(jié)合構(gòu)建納米粒子。

Ni 等[63]在2019 年報(bào)道了具有聚集誘導(dǎo)發(fā)射(AIE)特性的近紅外余輝發(fā)光納米粒子探針36(圖18)。該納米粒子合成方法是用脂質(zhì)體-PEG2000通過納米共沉淀法包裹36a 和化合物36b。發(fā)光機(jī)理是近紅外熒光分子36a在白光照射下產(chǎn)生1O2，1O2隨后氧化化合物36b 形成二氧雜環(huán)丁烷36c，36c 隨后發(fā)生自分解形成激發(fā)態(tài)的36d，其躍遷回基態(tài)伴隨著自發(fā)光的產(chǎn)生，隨后將能量轉(zhuǎn)移回近紅外熒光分子36a，最終釋放近紅外余輝發(fā)光，并持續(xù)10 d 以上。在體內(nèi)的NIR 余輝信號(hào)可以在正常組織(例如肝臟)中快速淬滅，而在腫瘤中可以長時(shí)間發(fā)光，從而導(dǎo)致超高的腫瘤-肝臟信號(hào)比(比熒光成像的要高近100 倍)。因此，納米顆粒36 在癌癥手術(shù)中可提供精確的圖像引導(dǎo)。

Roda 等[64]在2012 年報(bào)道了一種摻雜二氧雜環(huán)丁烷的二氧化硅納米顆粒探針37(圖19)，這種納米顆粒可以作為生物分析中超靈敏的熱化學(xué)發(fā)光標(biāo)記。納米顆粒探針37 的熱化學(xué)發(fā)光發(fā)射可以在低溫(低于100°C)下觸發(fā)，由于基于吖啶基類1,2-二氧雜環(huán)丁烷分子在每個(gè)納米粒子中負(fù)載量大(約104個(gè))，發(fā)光信號(hào)被大大放大，并且由于能量轉(zhuǎn)移到熒光受體雙嘧達(dá)莫上，而提高了發(fā)射效率。

Andronico 等[65]報(bào)道了基于熱化學(xué)發(fā)光的半導(dǎo)體聚合物點(diǎn)探針38(圖20)。他們通過納米共沉淀法，將熒光分子38a、聚合物38b、二氧雜環(huán)丁烷衍生物38c合成單分散的熱致發(fā)光半導(dǎo)體聚合物點(diǎn)探針38。半導(dǎo)體聚合物點(diǎn)探針38 表現(xiàn)出很好的時(shí)間穩(wěn)定性。每個(gè)半導(dǎo)體聚合物點(diǎn)探針38 里大約摻雜了20 個(gè)二氧雜環(huán)，它的發(fā)光強(qiáng)度大大增強(qiáng)；另外，該聚合物點(diǎn)在加熱至110℃時(shí)，1, 2-二氧雜環(huán)丁烷分解生成電子激發(fā)態(tài)的38d，該產(chǎn)物與摻雜的熒光分子38a 產(chǎn)生FRET 效應(yīng)，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的紅光。隨后，他們將鏈霉親和素共價(jià)結(jié)合到該聚合物表面上，以應(yīng)用到生物檢測中。在免疫測定中，半導(dǎo)體聚合物點(diǎn)探針38 檢測免疫球蛋白G(lgG)的檢測限低至13 nmol/L，動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展至230 nmol/L。

圖16 探針30～33的分子結(jié)構(gòu)Fig.16 Structures of probes 30—33

圖17 發(fā)光機(jī)理及探針34、35的分子結(jié)構(gòu)Fig.17 Luminescence mechanism and structures of probes 34,35

Sijbesma 課題組[66]報(bào)道了關(guān)于二氧雜環(huán)丁烷摻入熱塑性彈性體中得到化學(xué)發(fā)光材料探針39、40、41的工作(圖21)。其過程是二氧雜環(huán)丁烷單元被嵌入到聚四甲氧基聚合物主鏈中，施加應(yīng)變后，四元環(huán)斷裂導(dǎo)致聚合物測試樣品發(fā)光。他們以上述三種不同結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，從聚合物總分子量、二氧雜環(huán)單元含量、氫鍵以及所受應(yīng)力強(qiáng)弱四個(gè)維度探討了對(duì)發(fā)光強(qiáng)度的影響，證明了該聚合物發(fā)光強(qiáng)度與上述四個(gè)維度呈正相關(guān)性。

馬林斯效應(yīng)是指橡膠類材料在應(yīng)力超過最大承受值時(shí)發(fā)生應(yīng)力軟化的現(xiàn)象[67-72]。Clough 等[73]研究了共價(jià)鍵斷裂在機(jī)械記憶各向異性中的作用。在填有二氧化硅的聚二甲基硅氧烷中的機(jī)械發(fā)光交聯(lián)劑受到應(yīng)力會(huì)誘導(dǎo)發(fā)光，這是由于該交聯(lián)劑中所包含的二氧雜環(huán)丁烷可在強(qiáng)制誘導(dǎo)鍵斷裂時(shí)發(fā)光，基于該機(jī)理，設(shè)計(jì)并合成了填充彈性體發(fā)光材料探針42(圖22)。在該材料中，二(金剛烷基)-1,2-二氧雜環(huán)丁烷作為發(fā)光基團(tuán)是通過共價(jià)結(jié)合的，該材料在受到一定外部應(yīng)力的作用下，基團(tuán)中心四元環(huán)共價(jià)鍵優(yōu)先斷裂，隨后發(fā)出化學(xué)發(fā)光，以達(dá)到實(shí)時(shí)可視化監(jiān)測機(jī)械應(yīng)力變化的作用。

圖18 納米粒子36的合成過程及發(fā)光機(jī)理Fig.18 Synthesis and luminescence mechanism of nanoparticle 36

圖19 二氧化硅納米顆粒37的結(jié)構(gòu)和發(fā)光機(jī)理Fig.19 Structure and luminescence mechanism of silica nanoparticles 37

圖20 半導(dǎo)體聚合物點(diǎn)38的結(jié)構(gòu)和發(fā)光機(jī)理Fig.20 Structure and luminescence mechanism of semiconducting polymer dots 38

圖21 化學(xué)發(fā)光材料39～41的結(jié)構(gòu)Fig.21 Structures of chemiluminescence materials 39—41

圖22 化學(xué)發(fā)光材料42的發(fā)光機(jī)理及結(jié)構(gòu)Fig.22 Luminescence mechanism and structure of chemiluminescence material 42

Cui等[74]報(bào)道了一類半導(dǎo)體納米顆粒，可用于藥物誘導(dǎo)的癌癥免疫激活的體內(nèi)化學(xué)發(fā)光成像。該類半導(dǎo)體納米顆粒分別由三種不同的半導(dǎo)體聚合物SP1、SP2、SP3 與金剛烷-二氧雜環(huán)底物組成，其中半導(dǎo)體和金剛烷-二氧雜環(huán)底物分別作為化學(xué)發(fā)光的受體和供體，其結(jié)構(gòu)分別為探針43、44、45(圖23)，半導(dǎo)體聚合物本質(zhì)上是有熒光的，但只有在O2?-的激活下才會(huì)變成化學(xué)發(fā)光。當(dāng)納米顆粒探針43、44 被O2?-激活后發(fā)黃綠色光(540 nm)，而納米顆粒探針45被O2?-激活后發(fā)近紅外光(700 nm)，可靈敏地檢測出毒性T細(xì)胞中較高的O2?-水平，因此將其與其他細(xì)胞(包括癌癥和正常細(xì)胞)區(qū)分開。

金剛烷-二氧雜環(huán)丁烷類化學(xué)發(fā)光探針因結(jié)構(gòu)中過氧橋鍵的不穩(wěn)定性，易受力或者熱等外部因素的干擾而斷裂，致使化學(xué)發(fā)光的產(chǎn)生。利用這種特性，熱致發(fā)光材料、彈性材料等被開發(fā)出來。同樣，納米粒子因其有良好的生物相容性、結(jié)構(gòu)易修飾等優(yōu)點(diǎn)，眾多納米粒子包裹該類化學(xué)發(fā)光探針生物材料也被開發(fā)出來。

5 總結(jié)與展望

本文基于金剛烷-二氧雜環(huán)丁烷類化學(xué)發(fā)光機(jī)理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、識(shí)別機(jī)理等，介紹了此類化學(xué)發(fā)光探針在離子檢測、活性物種和生物標(biāo)志酶的識(shí)別以及發(fā)光材料等方面應(yīng)用的特點(diǎn)和優(yōu)勢。雖然這類化學(xué)發(fā)光探針有諸多優(yōu)點(diǎn)，也取得了一定的進(jìn)展，但仍然還有一些亟待解決的問題。

圖23 半導(dǎo)體納米粒子43～45的結(jié)構(gòu)及檢測機(jī)理Fig.23 Structures and detection mechanism of semiconductor nanoparticles 43—45

（1）該類化學(xué)發(fā)光探針合成路線較長，需要繼續(xù)開發(fā)出更加優(yōu)良的合成方法學(xué)。

（2）這類化學(xué)發(fā)光探針顯著的缺點(diǎn)是水溶性較差，一定程度上限制了生物學(xué)應(yīng)用，目前改良水溶性問題的方法還是比較單一且合成復(fù)雜。

（3）為了使金剛烷-二氧雜環(huán)丁烷類化學(xué)發(fā)光探針有更好的生物學(xué)應(yīng)用，在探針結(jié)構(gòu)中引入強(qiáng)吸電子基團(tuán)更好地改善了探針發(fā)光效率，但解決方式單一，需要探索更廣泛的方法。

發(fā)射波長處于近紅外窗口更有利于生物學(xué)應(yīng)用，但該類探針單分子發(fā)射波長并不能達(dá)到近紅外窗口。目前大量研究是聚焦于延長發(fā)射波長，解決方式主要有：與環(huán)糊精構(gòu)建超分子體系或者與具有聚集誘導(dǎo)發(fā)光性能的熒光探針構(gòu)建納米粒子。但是目前這些方法實(shí)施后，發(fā)射波長最多能達(dá)到近紅外窗口Ⅰ(NIR-Ⅰ，700～900 nm),仍需要開發(fā)處于近紅外窗口Ⅱ(NIR-Ⅱ，1000～1700 nm)的化學(xué)發(fā)光探針。