北京理工大学张金凤《Adv. Sci.》综述：热活化延迟荧光（TADF）材料 - 一类新兴的无金属发光材料在生物医学领域中的应用

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开发简单、高效、安全性好的发光材料对生物材料的临床转化具有重要意义。近年来，具有极小的单重态-三重态能级差（ΔE_ST）的热活化延迟荧光（Thermally Activated Delayed Fluorescence, TADF）材料，通过反向系间窜越（RISC）实现了理论上100%的内量子效率，被认为是最有前途的第三代有机发光材料。由于其独特的光物理性质、灵活的结构可调性、良好的生物相容性以及生产成本低等优势，无金属的TADF材料在生物医学领域包括常规荧光成像、时间分辨成像、生物传感以及光动力治疗方面展现出巨大潜力。

近日，北京理工大学张金凤研究员在材料领域顶级学术期刊《Advanced Science》上发表了题为“Thermally Activated Delayed Fluorescence Material: An Emerging Class of Metal-Free Luminophores for Biomedical Applications”的综述（DOI: 10.1002/advs.202102970），其第一作者为北京理工大学博士生方芳。该综述着重对TADF材料在生物医学领域的最新研究进展进行了总结。首先，该文简述了TADF材料的主要发展（包括光电子学、生物成像、生物传感器及纳米医学）；随后，简要介绍了TADF材料生物医学应用的主要分子机制；并进一步总结了TADF分子的合成原理以及TADF纳米材料的设计策略；随后，重点总结了TADF在常规荧光成像、时间分辨成像、生物传感以及光动力治疗的研究进展；最后，对该领域所面临的挑战和未来的发展机遇进行了展望。本文意在吸引更多研究者对新兴TADF发光材料的关注，以期指导有望用于精准医学的TADF材料的优化设计，并拓宽其在生物医学领域的其他应用。

图1. TADF材料在不同应用领域（如光电子学、生物成像、生物传感器、纳米医学）的主要发展时间线。

首先，作为典型的无金属发光材料，TADF材料可用于不同生物系统中的常规荧光成像；同时，由于长寿命发射特征，TADF材料可用于荧光寿命成像或时间分辨发光成像，大大提高成像的精准性；此外，TADF现象源于RISC过程，该过程对热和氧气都高度敏感，使得TADF材料可用于温度或氧气传感；除此之外，极小ΔE_ST、高效系间窜越（ISC）及高氧气灵敏度，使TADF分子可作为一种新型无金属光敏剂，实现高效的肿瘤光动力治疗。

图2. TADF材料在生物医学领域的应用：常规荧光成像、时间分辨成像、生物传感及光动力治疗。

图3. a) 在有机发光二极管（OLEDs）应用中通过电激发以及 b) 在生物医学应用中通过光激发的TADF过程简化示意图。

图4. TADF材料用于生物医学应用的分子机制简化图：a) 常规荧光成像；b) 时间分辨发光成像；c) 生物传感；d) 产生单重态氧（¹O₂）用于光动力治疗。

图5. 用于生物医学应用的典型TADF分子结构的总结。

图6. 用于生物医学应用的TADF 纳米材料的设计策略：a) TADF分子直接自组装形成纳米结构；b) 将TADF 分子包封在不同的纳米载体中；c) 对TADF 分子进行修饰后，再通过自组装或反向微乳液法形成纳米颗粒；d) TADF与主体分子形成共聚物，再通过与两亲聚合物表面活性剂共沉淀形成纳米材料。 

作者简介

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张金凤研究员简介

张金凤，现为北京理工大学生命学院副教授/特别研究员，博士生导师。2017年获得香港城市大学博士学位。研究领域为高效低毒全活性纳米药物的制备及其生物医学应用研究。在ACS Nano, Nano Lett., Adv. Funct. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Sci., Biomaterials, Small, Theranostics, ACS Appl. Mater. Interfaces等国际著名学术期刊上发表SCI论文50余篇，总引用2200余次（H index = 27）；其中以通讯或第一作者发表论文30篇（单篇平均IF>10），其中5篇为编辑推荐封面文章，影响因子>10的论文14篇。申请/授权国家发明专利8项（已获转让2项）、授权美国发明专利1项，编写英文专著章节1部；主持国家自然科学基金、北京市自然科学基金等项目6项，入选北京市科协青年人才托举工程项目（2021）；曾获香港城市大学最佳博士毕业论文奖、周亦卿研究生院奖、CityU卓越学术研究一等奖、杰出学术成就奖、北京市优秀毕业生等多个奖项。受邀担任Frontiers in Chemistry、Journal of Nanoelectronics and Optoelectronics、Nanomaterials等国际期刊客座编辑；长期担任ACS Nano, Adv. Funct. Mater., Biomaterials, ACS Appl. Mater. Inter., Adv. Healthc. Mater.等三十余个国际知名期刊审稿人。

原文链接

https://doi.org/10.1002/advs.202102970

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