純有機室溫磷光(RTP)由于其壽命更長、Stokes位移更大、有三重態(tài)參與等優(yōu)點，在有機發(fā)光二極管、數(shù)據(jù)安全、傳感和生物成像等方面被廣泛應(yīng)用受到越來越多人們的關(guān)注。大部分RTP通常是通過磷光基團的晶體化或在剛性基體中嵌入磷光基團來實現(xiàn)的，并且純有機分子固有的弱自旋耦合導(dǎo)致其磷光發(fā)射效率很低，所以開發(fā)簡單有效的方法以提高磷光壽命和量子產(chǎn)率具有重要的意義。
針對這一問題，南開大學(xué)劉育教授課題組發(fā)現(xiàn)有機小分子溴苯基甲基吡啶PYX（X= Cl, Br, I, PF6）的抗衡離子不同，發(fā)光效率也不同（從0.4%到24.1%），同時，他們選取了葫蘆[6]脲（Cucurbit[6]uril）作為主體，利用固相合成法與PYX鍵合，所得復(fù)合物的磷光得到了極大地增強，達到了81.2%。隨后，他們通過避重就輕的策略用4-苯基-1-甲基吡啶-1-氯銨替代4-(4-溴苯基)-1-甲基吡啶-1-氯銨可顯著提高其磷光壽命(至2.62 s)。
此外，RTP易于與細胞器中的自發(fā)熒光和背景熒光區(qū)分開，因此有望在體內(nèi)提供許多優(yōu)勢。不幸的是，大多數(shù)顯示RTP的系統(tǒng)都是固態(tài)的，源于水溶液中的氧氣和其他分子導(dǎo)致的猝滅，進而大大了限制RTP在水性生物系統(tǒng)中的實際應(yīng)用。因此，迫切需要開發(fā)在水溶液中顯示RTP的純有機化合物，尤其水中純有機材料的毫秒級RTP很少被報道。
在前期工作基礎(chǔ)上，由南開大學(xué)劉育教授帶領(lǐng)的研究團隊將磷光基團4-（4-溴苯基）吡啶-1-鹽（BrBP）修飾在具有腫瘤靶向的透明質(zhì)酸（HA）高分子鏈上。發(fā)現(xiàn)在水中向HA–BrBP中添加CB [7]或CB [8]形成假輪烷聚合物時，其形貌由小球分別變?yōu)榫性和大球型組裝體，同時在其發(fā)光光譜500nm處均出現(xiàn)新的發(fā)射峰，尤其與CB [8]形成的組裝體在500 nm處的發(fā)射強度大約是在380 nm附近的發(fā)射強度的2倍。時間分辨（延遲0.2 ms）的光致發(fā)光光譜還顯示出CB [8] /HA-BrBP在500 nm處的強烈磷光發(fā)射，而CB [8] / HA-BrBP的磷光更強比CB [7] / HA-BrBP。時間分辨衰減數(shù)據(jù)的分析顯示，CB [8] / HA-BrBP在500 nm處的磷光壽命超長，為4.33 ms（量子產(chǎn)率7.58％）。結(jié)果表明，使用CB [8] / HA-BrBP假輪烷聚合物可以實現(xiàn)水溶液中的高效RTP。據(jù)所知，迄今為止，該聚合物相比于在水溶液中的任何純有機物質(zhì)都具有相對較長的RTP壽命。
根據(jù)DFT幾何優(yōu)化結(jié)果（圖5a）、非共價相互作用（NCI）分析、Mulliken 電荷以及輻射和非輻射衰減速率常數(shù)的計算結(jié)果推斷主體-客體相互作用，π-π/Br-π相互作用，鹵素鍵和多個氫鍵的結(jié)合共同有助于水溶液中CB [8] / HA-BrBP的長RTP。
進一步根據(jù)HA的靶向性研究了CB [8]/HA-BrBP在活細胞中磷光成像的應(yīng)用。將三種類型的癌細胞（A549，HeLa，KYSE–150）與CB [8] / HA-BrBP一起孵育，通過共聚焦顯微鏡獲得515-540 nm的細胞內(nèi)發(fā)射光信號，顯示該準(zhǔn)輪烷聚合物均發(fā)出強烈的綠色磷光，而在人類胚胎腎細胞（293T）中未觀察到明顯的磷光，并且根據(jù)細胞定位染色顯示了在線粒體中。結(jié)果表明，假輪烷聚合物比正常細胞優(yōu)先靶向腫瘤細胞的線粒體中。本文所述的超分子策略不僅將為開發(fā)在水溶液中表現(xiàn)出RTP的純有機化合物提供新的途徑，而且還將拓寬磷光的應(yīng)用。
相關(guān)工作發(fā)表在Nature Communications上，第一作者為南開大學(xué)博士研究生周維磊（Wei-Lei Zhou），通訊作者為南開大學(xué)劉育教授。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-18520-7
