南京邮电大学赵强教授、张寅教授课题组：磷光响应不受氧气猝灭干扰的双发射铱配合物磷光探针

导语

磷光金属配合物因具有较长的磷光发射寿命、敏感的激发态性质、可调控的细胞摄取与细胞器靶向能力等优点，被用作生物探针与成像试剂。单波长发射磷光探针虽然对分析物表现出敏感的响应，然而磷光分子的三线态激发态易与氧气分子发生能量传递，猝灭磷光，而氧猝灭与分析物响应发生在同一波长上，导致探针在检测分析物时受氧气浓度干扰，降低检测的效率和精度，限制了其在复杂生物环境中的应用。近日，南京邮电大学的赵强教授和张寅教授团队通过抑制配合物激发态内转换过程，提出了一种双磷光探针普适性设计方案，成功设计合成了一种具有双磷光发射特性的铱配合物探针。该探针磷光被氧气猝灭以及对铜离子响应发生在两个不同的波长上，实现在不受氧气猝灭干扰的情况下对目标铜离子的精准检测。(Angew. Chem. Int. Ed., 2023, DOI: 10.1002/anie.202309178)。

前沿科研成果

磷光响应不受氧气猝灭干扰的双发射铱配合物磷光探针

一、双发射铱配合物探针的发光性质与机理

图1 （a）磷光铱配合物的化学结构；（b）配合物1分别在二氯甲烷和水/甲醇（9：1，v/v）溶液中的归一化发射光谱；（c）配合物1在水中HE和LE发射态的电子-空穴分布图。（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

作者将对铜离子响应的二(2-吡啶基)胺（DPA）修饰到联吡啶配体中，并进一步引入到含有非共轭氨基的双发射骨架中，制备了了不同于单波长发射（配合物3）的双磷光发射的配合物1和2。配合物3在590 ~ 617 nm处具有较宽的单波长发射，而含氨基的配合物1和2在室温下分别在493 ~ 520 nm和598 ~ 615 nm处表现出高能量（HE）绿色和低能量（LE）红色的双磷光发射。它们分别归属于³IL π → π* (N^C)和³MLCT/³LLCT dπ(Ir)/π(N^C) → π*(N^N)激发态。作者利用含时密度泛函理论（TD-DFT）进行理论计算研究，对该配合物的跃迁特征进行了深入探究。通过Mutilwfn进行空穴-电子分析，绿色和红色磷光分别源于配体内和金属配体间电荷转移态。

图2 （a）配合物1在氮气、空气和氧气下对铜离子的发射光谱响应和（b）发光颜色响应；（c）发光猝灭过程的机理示意图；（d-f）配合物1分别在空气（d）、氮气（e）和氧气（f）下与CuCl₂（0 - 10 μM）的发射光谱响应。（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

双发射配合物1和2随着环境氧浓度的增加优先猝灭HE绿色磷光，而LE红色磷光对铜离子响应。与之形成鲜明对比的是，单波长发射配合物3在增加氧浓度和与铜离子结合的情况下，都在同一波长下发生了发射猝灭现象。配合物1和2的HE绿色磷光具有更长激发态寿命，因此有更大机会与附近的氧分子相互作用，发生猝灭。而配合物1和2与顺磁性铜离子结合后，LE红色磷光被选择性猝灭，该过程具有良好的可逆性与选择性。

二、双发射铱配合物探针在生物成像中的应用

图3 （a，b）配合物1与CuCl₂共敷育HeLa前后的激光扫描共聚焦显微成像图，λ_em = 500 − 650 nm；（c，d）在不同氧气浓度下，配合物1与CuCl₂共敷育HeLa前后的激光扫描共聚焦显微成像图和双发射强度分析，λ_HE = 500 − 550 nm，λ_LE = 600 − 650 nm；（e，f）细胞在经过CuCl₂处理前后，在不同氧浓度下孵育后的相对发射强度图（e）和磷光寿命成像图（f）。（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

激光扫描共聚焦显微成像表明，双磷光发射配合物进入活细胞后在溶酶体中富集。多通道磷光分析显示， 氧气浓度的变化可显著调节HE绿色磷光的强度和寿命，而不影响LE红色磷光。红色磷光在不同氧气浓度下均对细胞内铜离子灵敏响应。细胞内HE和LE发射强度的分析清楚地表明，它们分别对氧气和铜离子独立地响应，没有串扰。磷光寿命成像分析进一步验证了氧气和铜离子引起的猝灭分别是动态和静态过程。

总结

该工作设计合成了首例磷光响应不受氧气猝灭干扰的磷光探针，这一发现为理解磷光探针提供了新的见解，并有助于更好地设计和优化磷光探针的传感行为。此外，双磷光探针独特的响应特性也为开发新型磷光探针提供了新的思路。该工作以“Dual-emissive Iridium(III) Complexes as Phosphorescent Probes with Orthogonal Responses to Analyte Binding and Oxygen Quenching”为题发表在Angew. Chem. Int. Ed.

该工作设计合成了首例磷光响应不受氧气猝灭干扰的磷光探针，这一发现为理解磷光探针提供了新的见解，并有助于更好地设计和优化磷光探针的传感行为。此外，双磷光探针独特的响应特性也为开发新型磷光探针提供了新的思路。该工作以“Dual-emissive Iridium(III) Complexes as Phosphorescent Probes with Orthogonal Responses to Analyte Binding and Oxygen Quenching”为题发表在Angew. Chem. Int. Ed.（DOI: 10.1002/anie.202309178）上，文章的第一作者是南京邮电大学本科生朱荣寄、博士生戴佩伶、杨俊，南京邮电大学张寅教授、李咏华教授、赵强教授为该工作的共同通讯作者。（论文作者：Rongji Zhu,⁺ Peiling Dai,⁺ Jun Yang,⁺ Jie Zhou, Jin Zhang, Kenneth Yin Zhang,* Yonghua Li,* Shujuan Liu, Kenneth Kam-Wing Lo, and Qiang Zhao*）。