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  聚集誘導(dǎo)發(fā)光材料由于聚集態(tài)下具有高的熒光量子產(chǎn)率，目前在光電器件、化學(xué)傳感、過程監(jiān)測(cè)、細(xì)胞成像和生物探針等諸多領(lǐng)域都取得重要研究進(jìn)展。然而，聚集態(tài)下高的熒光強(qiáng)度卻使得此類材料應(yīng)用在基于固態(tài)基質(zhì)的分析檢測(cè)設(shè)備中遇到難題，即很難實(shí)現(xiàn)點(diǎn)亮型探針在固態(tài)基質(zhì)中的應(yīng)用。因此，發(fā)展固態(tài)或者聚集態(tài)下熒光處于暗態(tài)同時(shí)能被特定底物點(diǎn)亮的AIE熒光探針(Pro-AIEgen)迫在眉睫。另一方面，唐本忠院士課題組近年來在固態(tài)分子運(yùn)動(dòng)調(diào)控這個(gè)研究方向上實(shí)現(xiàn)重大突破，例如他們?cè)O(shè)計(jì)合成了一系列具有長烷基鏈和多分子轉(zhuǎn)子的有機(jī)分子，利用長烷基鏈可以減弱分子間作用力的特點(diǎn)，進(jìn)而通過分子運(yùn)動(dòng)有效猝滅聚集態(tài)下的熒光發(fā)射，最后獲得具有優(yōu)異光熱和光聲性能的有機(jī)光熱轉(zhuǎn)化劑(Nature Communication 2019, 10, 1)。

  受此啟發(fā)，他們引入一個(gè)新的分子轉(zhuǎn)子單元-偶氮基團(tuán)，用于設(shè)計(jì)在固態(tài)或者聚集態(tài)下可以有效運(yùn)作的點(diǎn)亮型AIE探針，即TPE-Azo。相比較于具有四個(gè)苯環(huán)取代基的四苯基乙烯(Tetraphenylethene，TPE)，TPE-Azo的偶氮基元由于只有兩個(gè)取代基，因此可以實(shí)現(xiàn)更加柔性的分子運(yùn)動(dòng)。這一特殊性質(zhì)，與低分子量的聚乙二醇在室溫下為液態(tài)是類似的，因?yàn)榫垡叶贾麈溨械难踉油瑯訛殡p取代基構(gòu)型，能夠賦予其更加靈活的分子運(yùn)動(dòng)。TPE-Azo也可以很容易地通過還原劑的還原作用，通過“去轉(zhuǎn)子”(Derotation)這一特殊過程，生成在固態(tài)下可以發(fā)射強(qiáng)熒光的TPE-Am，從而在聚集態(tài)下實(shí)現(xiàn)對(duì)還原物質(zhì)的檢測(cè)。

圖1. (a) TPE-Azo和TPE-Am的相互轉(zhuǎn)化; (b) TPE-Am的四氫呋喃溶液、四氫呋喃/水混合溶液(水含量為99%)和固體粉末在紫外燈激發(fā)下的熒光圖片; (c) TPE-Azo單晶結(jié)構(gòu)中的分子堆積; (d) 77K和室溫下TPE-Azo固體粉末的熒光光譜。

  偶氮化合物廣泛地應(yīng)用在光響應(yīng)的分子開關(guān)領(lǐng)域。由于偶氮基團(tuán)光照下活躍的順反異構(gòu)化作用，大多數(shù)偶氮化合物呈現(xiàn)弱熒光甚至完全處于熒光暗態(tài)。類似地，TPE -Azo在溶液和固態(tài)中也都不發(fā)光。溶液狀態(tài)下的TPE-Azo在420 nm藍(lán)光和520 nm綠光交替照射下可以實(shí)現(xiàn)順反構(gòu)型的可逆轉(zhuǎn)換。同時(shí)，TPE-Azo的單晶結(jié)構(gòu)解析表明分子之間只存在弱的C-H?N作用，這為激發(fā)態(tài)下偶氮基團(tuán)的熱弛豫提供了足夠的運(yùn)動(dòng)空間。通常認(rèn)為，低溫可以限制分子的運(yùn)動(dòng)，阻礙TPE-Azo的順反異構(gòu)化，從而恢復(fù)其固有的熒光發(fā)射。TPE-Azo固體粉體在77 K和293 K的光致發(fā)光光譜表明，當(dāng)溫度從室溫冷卻到77 K時(shí)，TPE-Azo在650 nm處出現(xiàn)強(qiáng)的紅色熒光發(fā)射。顯然，偶氮基團(tuán)的分子運(yùn)動(dòng)是導(dǎo)致TPE-Azo在溶液和固態(tài)中處于熒光休眠狀態(tài)的重要原因。

圖2. (a) TPE-Azo與Na₂S₂O₄反應(yīng)過程中熒光光譜的變化; (b) TPE-Azo與Na₂S₂O₄反應(yīng)的熒光動(dòng)力學(xué)曲線; (c) 低氧和常氧條件下HeLa細(xì)胞與不同濃度TPE-Azo共培養(yǎng)后的存活率。

  TPE-Azo可以在水溶液中形成粒徑約為75nm的納米聚集體，在該聚集態(tài)下處于熒光暗態(tài)。當(dāng)它與Na₂S₂O₄共孵育時(shí)，可以觀察到480 nm熒光發(fā)射隨著時(shí)間推移逐漸增強(qiáng)，溶液的熒光量子產(chǎn)率從0.2%增加到5.7%，表明TPE-Azo可以被Na2S2O4還原，發(fā)生“去轉(zhuǎn)子”作用進(jìn)而點(diǎn)亮TPE-Am的固態(tài)熒光。TPE-Azo對(duì)其他常見還原劑及生物體內(nèi)還原性物質(zhì)表現(xiàn)為化學(xué)惰性，包括硫氫化鈉、水合肼、谷胱甘肽、半胱氨酸和NADPH等。細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)表明，TPE-Azo在高濃度下依舊展現(xiàn)出良好的生物相容性，這為TPE-Azo用于檢測(cè)細(xì)胞內(nèi)的偶氮還原酶奠定了生物學(xué)基礎(chǔ)。

圖3. (a) TPE-Azo在不同氧氣濃度下與HeLa細(xì)胞共培養(yǎng)3 h后的共聚焦圖像, 包括加入不同濃度還原酶抑制劑(DPI)后的共聚焦圖像; (b) 在光敏劑DCQu的存在下，TPE-Azo與HeLa細(xì)胞在常氧條件和白光光照下的共聚焦圖像。

  偶氮還原酶是實(shí)體腫瘤缺氧的重要生物標(biāo)志物之一。考慮到偶氮還原酶的還原性，TPE-Azo因而有可能實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤細(xì)胞缺氧程度的檢測(cè)。如圖3所示，當(dāng)氧氣濃度從21%下降到0%時(shí)，來自HeLa細(xì)胞的熒光逐漸增強(qiáng)，這表明TPE-Azo被缺氧條件下高表達(dá)的偶氮還原酶分解，釋放TPE‐Am點(diǎn)亮細(xì)胞。二苯基氯化碘鹽(Diphenyliodonium chloride, DPI)是一種典型的偶氮還原酶抑制劑，它可以占據(jù)還原酶的活性位點(diǎn)使其失活。在低氧條件下，TPE-Azo與高濃度DPI共培養(yǎng)時(shí)，熒光信號(hào)明顯減弱。這些結(jié)果表明，偶氮還原酶可以移除TPE-Azo的偶氮轉(zhuǎn)子，而生成的TPE-Am能夠指示生物體環(huán)境中的氧氣濃度。光敏劑DCQu在白光光照下可以高效地產(chǎn)生單線態(tài)氧，這種短時(shí)間內(nèi)的快速耗氧行為可以使得活細(xì)胞處于缺氧環(huán)境之中。實(shí)驗(yàn)表明，TPE-Azo的逐漸解離和TPE-Am的熒光增強(qiáng)可以直觀地可視化光動(dòng)力學(xué)治療(Photodynamic therapy, PDT)過程中產(chǎn)生的缺氧環(huán)境。總的來說，本文提出的策略是一種通過調(diào)控固態(tài)分子運(yùn)動(dòng)構(gòu)建還原酶響應(yīng)AIE熒光探針的通用策略，其中的熒光團(tuán)可以被不同的AIE分子代替以實(shí)現(xiàn)不同的功能。由于還原酶在很多與活性氧相關(guān)的疾病中過表達(dá)，因此，這些AIE熒光探針在疾病早期診斷領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用潛力。

圖4. TPE-Azo檢測(cè)細(xì)胞缺氧程度的示意圖。

  以上相關(guān)成果以“Turning on Light Emission of a Dark Pro-Aggregation-Induced Emission Luminogen in Aqueous Media Through Reductase-Modulated Derotation”為題發(fā)表在Wiley旗下最新推出的開放獲取期刊Advanced NanoBiomed Research上。文章的第一作者為香港科技大學(xué)的徐昌活博士和南方醫(yī)科大學(xué)的鄒航博士，通訊作者為唐本忠院士、鄭磊教授和趙征教授。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anbr.202000080