【人物与科研】南开大学刘育课题组JACS：光氧化驱动的纯有机室温磷光溶酶体靶向成像
导语
纯有机室温磷光由于其寿命长、斯托克斯位移大等特点，在生物成像、有机发光二极管和光学开关等方面被广泛应用，这也引起了人们极大的研究兴趣。其中，水相室温磷光由于容易区分短寿命的背景荧光，从而在时间分辨生物成像领域具有重要的应用价值。然而，由于水溶液中存在高浓度溶解氧以及分子快速运动，非常容易引起发光淬灭，因此在水相中实现高效室温磷光发射仍然是一项富有挑战性的工作。另外，目前特异性的细胞染色体系主要是将不同的细胞器靶向剂通过共价键连接到发色团上来实现的，这通常需要繁琐的化学合成或反复的纯化过程，因此开发新的细胞标记和成像定位方法具有重要的科学意义。近日，南开大学刘育课题组在该研究领域取得了新突破（J. Am. Chem. Soc., 2021, DOI: 10.1021/jacs.1c06741）。
刘育教授简介
刘育，南开大学教授，1996年获国家杰出青年科学基金资助，2000年受聘为教育部长江学者特聘教授，2010年和2016年获中国侨界贡献奖，2012年评选为全国优秀科技工作者，2006年和2011年分别两次担任国家973重大研究计划项目首席科学家。在有机超分子化学和纳米超分子化学的研究方面做了大量系统工作，研究成果已在国内外核心刊物发表论文500多篇，论文SCI他引16000多次，h-index: 65；在国内外学术会议做大会和邀请报告50多次。主（参）英文专著9部、中文专著5部。获国家自然科学奖二等奖1项，省部级自然科学一等奖3项、二等奖3项，宝钢优秀教师特等奖1项和国家”十一五”科技计划执行突出贡献奖。曾任两届国务院学位委员会学科评议组成员、中国化学会常务理事、高等学校化学学报副主编，现任国际环糊精和葫芦脲协会顾问委员会委员、中国化学快报副主编以及Aggregate、Asian J. Org. Chem.等7种杂志编委。
前沿科研成果
光氧化驱动的纯有机室温磷光溶酶体靶向成像
近两年来，南开大学刘育教授课题组系统地研究了大环主体诱导客体磷光增强效应，先后发表了多篇研究论文，例如，“客随主变助窜越，避重就轻长发光”（Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 6028–6032；Chem. Sci. 2019, 10, 7773–7778），“协同策略两相宜”（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 18748–18754），“水中磷光来成像”（Nat. Commun. 2020, 11, 4655），“分子折叠全窜越”（Adv. Mater. 2021, 33, 2007476）等。因此，刘育教授课题组受邀撰写了题为“Supramolecular Purely Organic Room-Temperature Phosphorescence”的综述论文（Acc. Chem. Res. DOI: 10.1021/acs.accounts.1c00336）。这些都为超分子磷光在水相中的应用，尤其是在细胞成像方面的应用研究奠定了坚实的基础。在前期工作基础上，作者通过一种不寻常的基于光氧化驱动的超分子调控策略，实现了荧光到磷光发射性质的转化，并进一步用于活细胞中双细胞器的多色靶向成像。（图1, J. Am. Chem. Soc., DOI: 10.1021/jacs.1c06741）。
图1. 光氧化驱动纯有机室温磷光溶酶体靶向成像示意图
（来源：JACS)
为了赋予超分子组装体光调控性质，作者将蒽单元共轭连接到溴苯基吡啶盐上。他们发现通过主体增强的电荷转移相互作用，葫芦[8]脲可以与客体组装形成超分子聚合物。同时，由于蒽的光反应活性，在光照条件下，蒽基会被氧化成蒽醌，组装模式也由“头对尾”的超分子聚合物转化为“头对头”的三元包合物。
图2. 主客体键合行为表征及光反应机理研究
（来源：JACS)
随后，作者对超分子组装体的光物理性质进行了表征。结果表明，由于刚性和共轭程度的增加，超分子聚合物可以发射出红色的荧光。而在光照条件下，短寿命的红色荧光逐渐转化为长寿命的绿色磷光。
图3. 组装体光学性能表征
（来源：JACS)
理论计算也进一步验证了光氧化后在三元包合物中形成了更强的卤键等非共价相互作用，促进了分子的系间窜越，从而产生了室温磷光。
图4. 理论计算结果
（来源：JACS)
最后，作者进行了细胞染色实验。结果表明，超分子聚合物定位于细胞核而三元包合物定位于溶酶体。更加有趣的是，作者发现通过光氧化，荧光到磷光发射以及细胞核到溶酶体成像过程可以在细胞内原位和动态进行。
图5. 细胞染色实验结果
（来源：JACS)
综上，该工作利用光氧化驱动策略首次实现了不同细胞器的多色靶向成像，这不仅加深了人们对超分子化学中构效关系的理解，也为开发刺激响应材料和功能成像试剂提供了新思路。该工作以“Photooxidation-Driven Purely Organic Room-Temperature Phosphorescent Lysosome-Targeted Imaging”为题发表在Journal of the American Chemical Society上，南开大学化学学院刘育教授和张瀛溟副教授为本文共同通讯作者，南开大学化学学院博士研究生虞华江为论文第一作者。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
关于人物与科研
今天，科技元素在经济生活中日益受到重视，中国迎来“科学技术爆发的节点”。科技进步的背后是无数科学家的耕耘。在追求创新驱动的大背景下，化学领域国际合作加强，学成归国人员在研发领域的影响日益突出，国内涌现出众多优秀课题组。为此，CBG资讯采取1+X报道机制，携手ChemBeanGo
APP、ChemBeanGo官博、CBG资讯公众号等平台推出“人物与科研”栏目，走近国内颇具代表性的课题组，关注研究、倾听故事、记录风采、发掘精神。欢迎来稿，详情请联系C菌微信号：chembeango101。
●扬州大学杨文超课题组Org. Lett.：电化学促进AgSCF3与联芳基炔酮的串联螺环化反应
●南开大学赵东兵课题组ACS Catal：铱催化对映选择性C-H硅基化合成硅立体中心手性硅醇：一种新型配体骨架的开发
●安徽大学宣俊教授课题组Org. Lett.：无金属、无添加剂条件下肟醚的光化学合成
●湖南师范大学杨源副教授课题组Org. Lett.：α-溴代丙烯酸作为C1插入单元的钯催化二苯并富烯的脱羧合成