糖基聚集诱导发光材料的研究进展

聚集诱导发光材料具有优异的光学性质, 在传感检测等领域具有广泛用途. 由于大部分聚集诱导发光类荧光基团具有很强的疏水性, 一定程度上限制了其应用范围. 近五年, 基于糖类分子结构多样和水溶性好的优势, 北京师范大学邢国文课题组将多种糖类物质和聚集诱导发光分子偶联, 制备出一系列糖基聚集诱导发光材料. 该类材料有很好的水溶性和生物相容性, 能够降低背景荧光和生物毒性. 通过和目标检测物结合或者反应, 实现了对多种生物活性分子的荧光检测和细胞成像. 课题组综述了近年来糖基聚集诱导发光材料领域的重要研究进展, 以进一步拓展聚集诱导发光材料的应用领域, 为生物活性物质功能监测和糖化学生物学的研究等提供有效的研究工具.

糖类化合物在自然界中含量丰富, 是重要的生命物质, 在遗传、代谢、免疫和疾病等方面的生物学功能受到越来越多的关注. 例如, 核糖和脱氧核糖是遗传物质核酸的构筑单元之一, 葡萄糖是活细胞的主要供能物质, 九碳糖唾液酸常存在于细胞表面糖蛋白和糖酯末端, 参与细胞间信号传导等, 纤维素是细胞壁等的主要成分等. 荧光探针的研究促进了生物成像等领域的快速发展, 开展糖类、糖相关的酶和蛋白等的检测和示踪, 对糖生物学研究具有重要意义.

近年来, 发展具有高光学稳定性、强荧光信号、良好生物相容性和生物降解能力的荧光探针备受关注. 聚集诱导发光(aggregation-induced emission, AIE)材料不同于聚集诱导淬灭型材料, 具有光稳定性好、高信噪比等优点, 在有机光电子器件、化学传感、生物检测和刺激响应性材料等领域有重要应用. 例如, AIE探针被应用于pH值、粘度、金属离子、挥发性气体、爆炸性物质、生物大分子等的检测, 对环境保护、生命科学、医学研究等多学科领域产生影响, 显示出优异的性能和广阔的应用前景. AIE材料的发光机理主要为分子内运动受限机制, 具有螺旋桨状或贝壳状结构的化合物, 在稀溶液中受光激发后, 相关分子内结构可以自由旋转或振动耗散能量, 分子不发荧光; 当因聚集或其他原因限制分子内运动时, 分子内运动受阻, 发射出强烈荧光.

大部分聚集诱导发光类荧光团具有很强的疏水性, 在水环境中容易聚集, 某些情况下在生物体系中的应用受到一定限制. 而糖类物质为多羟基的醛或酮, 具有很好的水溶性. 若将糖类物质和聚集诱导发光分子偶联, 则形成的糖基聚集诱导发光材料具有一定的水溶性和生物相容性, 且生物毒性和背景荧光等均较低, 既可以拓展聚集诱导发光材料的应用, 也可以开发新的糖生物学的研究工具. 唐本忠院士团队等曾系统总结了肝素、透明质酸、淀粉、纤维素、环糊精等糖相关的聚集诱导发光材料及其应用. 近年来, 北京师范大学邢国文课题组将唾液酸、乳糖、氨基葡萄糖等与四苯乙烯进行偶联, 合成了系列糖基AIE化合物, 并将其应用于过氧化氢、次氯酸、半胱氨酸、氰根离子、肝素、人参皂苷、唾液酸酶、唾液酸凝集素等的检测, 显示出独特的荧光检测优势. 课题组主要结合其近期的研究工作和其他课题组的相关工作, 重点综述基于果糖、甘露糖、半乳糖、氨基葡萄糖、唾液酸、乳糖等糖类的糖基聚集诱导发光材料及其在检测和成像等领域中的研究进展.

  图1  糖基聚集诱导发光材料的研究进展

该文将收录于《中国科学：化学》2022年第6期：“庆祝北京师范大学建校120周年暨化学学科创立110周年”专刊，点击下方链接或“阅读原文”可读全文：

冯改丽, 李夏芬, 刘怡晨, 周微, 及燕铭, 张媛, 邢国文*. 糖基聚集诱导发光材料的研究进展. 中国科学 : 化学, 2022, doi:10.1360/SSC-2021-0268