有机八极分子双光子激发荧光材料的设计合成与性能的研究进展

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.240258

摘要/Abstract

摘要：

双光子激发的荧光具有穿透深度大、空间分辨率高等优点，在生物成像领域具有重要的应用前景。随着相关研究的不断创新、深入和拓展，有机偶极和四极分子材料因受自身结构和性能的限制，不能表现出令人期望的双光子激发荧光性能，并且在结构和性能上的可设计性和调控性较小，因此越来越无法满足实际应用的需求。与有机偶极和四极分子材料相比，有机八极分子材料具有明显的优势，体现在可以通过对多个结构单元（中心核、分枝和π共轭桥）进行丰富多样的结构“裁剪”，借助分枝之间的相互耦合作用大幅提升双光子吸收截面，同时进一步优化分子的水溶性、细胞渗透性、生物相容性和激光稳定性等。因此，近年来，越来越多的研究聚焦于有机八极分子双光子激发荧光材料。通过重点综述近5年国内外有机八极分子双光子激发荧光材料的研究进展，讨论了新颖的中心核结构的设计合成、有机蓝光双光子激发荧光材料的双光子吸收响应的提高、双光子激发荧光材料的光稳定性和水溶性的提升以及双光子激发荧光材料的激发波长从近红外一区向近红外二区的扩展等内容。并且对该领域研究进一步的发展趋势进行了讨论，为有机八极分子双光子激发荧光材料的进一步研发和应用提供依据。

关键词: 双光子激发荧光, 有机八极分子, 设计合成, 结构和性能, 生物成像

Abstract:

Two-photon fluorescence has the advantages of large penetration depth and high spatial resolution， and has an important application prospect in the field of biological imaging. With the continuous innovation and development of related research， organic dipole and quadrupole molecules cannot exhibit the desired two-photon excited fluorescence properties due to the limitations of their own structure and properties， and cannot be designed and regulated in their structure properties. So it is increasingly unable to meet the needs of practical applications. Compared with organic dipole and quadrupole molecules， organic octupolar molecules have obvious advantages in this aspect. Through the diversified structural “clipping” on the multiple structural units （central core， branches and π-conjugate bridges）， the coupling between different branches can be greatly improved and the two-photon absorption cross section can be also improved. At the same time， the water solubility， membrane permeability， biocompatibility and laser stability of the molecule can be further optimized. Therefore， in recent years， more and more research has focused on organic octupole two-photon excited fluorescence materials. The research progress in design， synthesis and properties of organic octupolar two-photon excited fluorescence materials in recent five years is reviewed. The discussion focuses on the design and synthesis of novel central core structure， the improvement of two-photon absorption response of organic blue two-photon excited fluorescence materials， the improvement of photostability and water solubility of two-photon excited fluorescence materials， and the expansion of excitation wavelength from near infrared region 1 to near infrared region 2. The further development trend of this field is also discussed， which provides a basis for the further development and application of organic octupolar two-photon excited fluorescence materials.

Key words: Two-photon excited fluorescence, Organic octupolar molecule, Design and synthesis, Structure and performance, Bioimaging

中图分类号:

O621

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图/表 8

图1 （A）八极分子1c和2c的分子结构；（B）八极分子1c和2c在二氯甲烷中的单光子（线）和双光子吸收光谱（点），下横坐标代表单光子吸收波长，上面的横坐标代表双光子吸收波长，纵坐标代表双光子吸收截面［20］

Fig.1 （A） The molecular structure of octupolar molecules 1c and 2c；（B） One-photon （full line） and two-photon （dots） absorption spectra of octupolar molecules 1c and 2c in dichloromethane， where the lower abscissa represents the one-photon absorption wavelength， the upper abscissa represents the two-photon absorption wavelength， and the ordinate represents the two-photon absorption cross section［20］

图2 （A）八极分子CZ-Py2和CZ-BI2的分子结构；（B）八极分子CZ-Py2和CZ-BI2在不同极性溶剂（甲苯、THF、二氯甲烷、DMF）中的单光子激发的荧光光谱［22］

Fig.2 （A） The molecular structure of octupolar molecules CZ-Py2 and CZ-BI2；（B） One-photon excited fluorescence spectra of octupolar molecules CZ-Py2 and CZ-BI2 in different polar solvents （toluene， tetrahydrofuran， dichloromethane， N，N'-dimethylformamide）［22］

图3 八极分子TA（TL）-Ph（3）-NPh、TA（TL）-Ph（3）-CBZ和TA（TL）-Ph（3）-ODZ的分子结构；（B）在不同输入泵浦能量下，TA（TL）-Ph（3）-CBZ在甲苯中的双光子激发的荧光发射强度，插图：甲苯中TA（TL）-Ph（3）-CBZ的2PP ASE光谱；（C）在800 nm处，TA（TL）-Ph（3）-NPh、TA（TL）-Ph（3）-CBZ和TA（TL）-Ph（3）-ODZ的双光子放大的自发辐射效率与输入能量的关系［27］

Fig.3 （A） The molecular structure of octupolar molecules TA?（TL）?-Ph?（3）?-NPh， TA?（TL）?-Ph?（3）?-CBZ and TA（TL）-Ph（3）-ODZ；（B） Plots of integrated emission intensity vs. input pumping energy for TA（TL）-Ph（3）-CBZ in toluene. Inset： 2PP ASE spectrum of TA（TL）-Ph（3）-CBZ in toluene；（C） Plots of the 2PP ASE efficiency versus the input pumping intensity at 800 nm［27］

图4 （A）八极分子3和14的分子结构；（B）化合物3 （C42H33N）和（C）14 （C138H168N4）的紫外-可见吸收光谱（蓝线）和在800 nm飞秒激光激发下的双光子荧光发射光谱（红线）。（B、C）的插图是2种相同浓度分子的双光子荧光照片［35］

Fig.4 （A） The molecular structure of octupolar molecules 3 and 14；（B） UV-Vis absorption and two-photon absorption （TPA） emission spectra of compounds 3 （C42H33N）（C） and 14 （C138H168N4） under the excitation of an 800 nm femtosecond laser. Insets of （B， C） are images of TPA fluorescent emission for two molecules with the same concentration［35］

图5 （A）八极分子Mito-3arm的分子结构；（B）在单光子（488 nm）或双光子（840 nm）激发下，Mito-3arm在不同成像深度下的Z堆叠共聚焦显微镜图像；（C）在单光子（488 nm）或双光子（840 nm）激发下，由ImageJ构建的Mito-3arm的荧光强度分布图；（D）在30和120 min时获得Mito-3arm的双光子共聚焦显微镜图像［37］

Fig.5 （A） The molecular structure of octupolar molecule Mito-3arm；（B） Z-stack confocal microscopy images of organoids stained with Mito-3arm were recorded at different imaging depths using one-photon （488 nm） or two-photon （840 nm） excitation；（C） One-photon （488 nm） or two-photon （840 nm） excitation， along with corresponding fluorescence intensity distribution maps， constructed by ImageJ；（D） Two-photon confocal microscopy images of organoids stained with Mito-3arm were obtained at 30 and 120 min［37］

图6 （A） 144分子的荧光发射强度随H2O比例的变化分析，插图：八极分子144的分子结构；（B）分子144在不同溶剂中的荧光发射光谱；（C）分子144在不同配比的DMSO/H2O混合溶剂中的荧光发射光谱；（D）在820 nm激发并在不同孵育时间下，BSA/144染色的HeLa癌细胞的双光子荧光成像［42］

Fig.6 （A） Analysis of the change of fluorescence intensity of molecule 144 with the H2O fraction， inset： the molecular structure of octupolar molecule 144；（B） Fluorescence emission spectra of molecule 144 in different solvents with an excitation wavelength of 365 nm；（C） Fluorescence emission spectra of molecule 144 in DMSO/H2O with different ratios with an excitation wavelength of 365 nm；（D） Two-photon fluorescence imaging of HeLa cancer cells stained with BSA/144 excited at 820 nm with different incubation times［42］

图7 （A）八极分子F和F2的分子结构；（B） F和F2在四氢呋喃中的双光子吸收光谱；（C）基于荧光团的周期性介孔有机硅纳米颗粒的制备，包括荧光团F的硅基化过程以及溶胶-凝胶合成；（D）合成荧光团的双光子荧光成像照片［44］

Fig.7 （A） The molecular structure of octupolar molecule F and F2；（B） Two-photon absorption spectra of chromophores F and F2 in THF；（C） Preparation of fluorophore-based periodic mesoporous organosilica nanoparticles （F PMO NPs）， including silylation process of fluorophore F and integration of resulting F—Si precursor in the sol-gel synthesis of E 4S F PMO NPs；（D） Two-photon fluorescence imaging of synthesized fluorophore-PMO NPs［44］

图8 （A） 2DCP1的八极分子结构以及在激发波长780~1080 nm下的双光子活性截面图；（B） 2DCP2的八极分子结构以及在激发波长780~1080 nm下的双光子活性截面图；（C）单光子（One-photon luminescence，OPL）和双光子（Two-photon luminescence，TPL）激发下的2DCP1 纳米颗粒在4T1细胞中的共聚焦激光扫描显微镜图像（比例尺： 50 μm）［46］

Fig.8 （A） The octupolar molecular structure of 2DCP1 and the two-photon action cross section of 2DCP1 under an excitation wavelength of 780~1080 nm；（B） The octupolar molecular structure of 2DCP2 and the two-photon action cross section of 2DCP2 under an excitation wavelength of 780~1080 nm；（C） Confocal laser scanning microscope images of 4T1 cells treated with 2DCP1 NPs excited by one- and two-photon excitation （scale bar： 50 μm）［46］

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