鋱（III）離子及其復合物：從發光特性到傳感應用

柳蘇月 田晶晶 田洪濤 許文濤1，

（1. 河北農業大學食品科技學院，保定 071001；2. 北京食品營養與人類健康高精尖創新中心 中國農業大學，北京 100083；3. 農業農村部農業轉基因生物安全評價（食用）重點實驗室 中國農業大學，北京 100083；4. 國家北方山區農業工程技術研究中心，保定 071001）

稀土元素（Rare earth element，REE）也稱鑭系元素（Lanthanide element，Ln），在周期表中包含鑭（Lanthanum，La）到镥（Lutetium，Lu）15 種金屬元素，它們具有相似的外層電子結構，彼此之間化學性質相似。在4f 軌道上，電子的運動狀態和能級特征賦予了稀土配合物特殊的發光性質。被屏蔽的4f 軌道發生f-f 禁阻躍遷時，Ln 能保持其特有的發光顏色，并且具有光譜特性—可見光區產生的線性譜帶窄，激發態壽命達毫秒級。但是，由f-f 禁阻躍遷產生的鑭系離子（Ln3+）在紫外可見光區域摩爾吸光系數小，對激發光的吸收能力弱。為了增強其發光性能，部分有機化合物能與Ln3+形成特殊發光配合物，并且鑭系發光配合物得到了廣泛的研究。

1942 年3 月，魏斯曼［1］提出了天線效應，也稱光敏化作用，即Ln3+作為能量受體，當有機配體（能量供體）捕獲激發光的能量后經能量轉移過程將能量轉移至Ln3+，Ln3+因此達到激發態，之后經輻射躍遷能夠發光。這種供體與受體之間的相互作用，涉及多種能量轉移機制，如F?rster 共振能量轉移（F?rster resonance energy，FRET）［2］，德克斯特能量轉移（Dexter excitation transfer，DET）［3］等。天線效應為提高Ln3+的發光性能提供了有效途徑，使得鑭系發光配合物具有獨特的光學性質—斯托克（Stokes）位移大，發射帶尖銳，發光壽命長，光化學穩定性高等［4］。

相比于其它Ln3+，更多研究集中在銪離子（Eu3+）發光配合物和鋱離子（Tb3+）發光配合物［5］。它們具有高量子產率，長壽命和多個光譜分辨的發射帶。但是相比于銪，鋱的發射帶能更好分離［2］。基于此，對鋱離子與不同配體形成的發光鋱離子配合物的研究狀況及其應用展開評述，特別是其優異的發光性質在生物技術領域的應用，如熒光探針、生物傳感、細胞成像、藥物遞送及癌癥的診斷和治療等方面。

1 鋱離子及鋱離子配合物的基本性質

鋱（Terbium）在稀土元素中排列第14 位，為銀灰色金屬，有延展性，質地軟。三價鋱離子（Tb3+）具有一定細胞毒性，在體內Tb3+靶器官為肝、肺和脾，當與合適的配體進行配合之后形成的鋱離子配合物能后適度地降低其毒性［6］。Tb3+具有獨特的光、電、磁等性質［7-8］，其中Tb3+的發光性質引起了科研工作者的研究興趣。基于天線效應改善其發光特性能進一步拓寬其應用范圍，如在光功能材料方面，可以用于照明，激光等；其構建的發光探針還可以應用于生物傳感器、生物成像等；在醫學方面如免疫檢測、藥物遞送、癌癥的診斷和治療［5］。

1.1 鋱離子的發光性質

Tb3+的發光機制屬于光致發光，即通過紫外可見或紅外輻射，用電磁輻射照射激發Tb3+。因為Tb3+具有較低的摩爾消光系數，當用紫外燈對其直接輻射時，或者不發光或者發出微弱的綠色熒光，且水溶液中游離的Tb3+吸光截面低，其周圍介質如配位水分子中的氫氧鍵的高頻振動造成非輻射失活，引起能量損失，對其發光有一定的淬滅作用［2，9-10］。

1.2 鋱離子配合物的發光特性

基于配位化學的原理，配體的選擇對于鋱離子配合物的發光性質有很大的影響。綜合多年的研究工作來看，大多數工作致力于提高其發光性能從而擴展其應用。

單齒配體，是指一個配體只具有一個配位原子。多齒配體，是指一個配體中含有兩個或兩個以上的配位原子。Tb3+可以部分多齒配體形成較為穩定的發光復合物，尤其是與含有帶負電荷的供體基團的配體。一般用紫外燈激發該配合物的水溶液能得到Tb3+獨特且強烈的綠色熒光。此外，溶劑也會對鋱離子的發光性能造成影響，與水這種常用的溶劑相比，如DNA/Tb 的配合物在二甲基酰胺（DMF）和二甲基亞砜（DMSO）中發生發光率更強［11］。有機溶劑能促進靜電相互作用，使得Tb3+配位范圍發生改變。此外，Tb3+還可以與具有環狀結構的配合物形成鋱離子螯合物，通過兩個或者多個配位體與Tb3+形成螯合環。從軟硬酸理論的角度來看，鋱（III）離子屬于硬酸，傾向于與氧，氮類硬堿相互作用［12］。選擇符合要求且高效的配體或者敏化劑螯合鋱離子，一方面能減少周圍環境介質造成的發光淬滅影響；另一方面基于天線效應顯著提高鋱離子發光性能。

1.3 常見的鋱離子配體

常見的鋱離子配體例如含N 雜環有機配體：聯吡啶、2，6-吡啶二羧酸；含多羧基有機多齒配體：乙二胺四乙酸（EDTA）、二乙烯三胺五乙酸（DTPA）等聚氨基多羧酸鹽，是常見的螯合劑［12］。此外，還有含α-羰基羧酸構型的第3 代喹諾酮類抗菌藥物例如恩諾沙星、氟羅沙星、普盧利沙星和達氟沙星，都可與鋱離子形成二元配合物。生物大分子類如核酸、蛋白質芳香殘基的三重態與鋱的共振能級幾乎重疊。核酸、肽用作天線配體，也可以與鋱離子形成復合物［13］。不同配體彼此能協同配合，還能形成三元發光配合物。譬如聯吡啶與Tb3+形成的配合物還能有效結合DNA。不僅如此，Tb3+及其配合物還能結合大多數納米材料，所得復合材料能進一步提高其發光性能等。常用的納米材料有碳量子點、二氧化硅、金屬-有機骨架、層狀雙氫氧化物等，并且有專門對于稀土層狀稀土氫氧化物納米材料的研究。一般而言，核酸、蛋白質、納米顆粒等結構不僅能夠敏化Tb3+發光，還能螯合Tb3+從而減少周圍介質對其發光的淬滅作用［14］。

1.4 鋱離子配合物的發光機理及影響發光性能的因素

鋱離子配合物的發光機理建立在紫外可見或紅外輻射的光致發光原理的基礎上。光致發光的過程即是用電磁輻射照射激發鋱離子配合物，其將經歷吸收能量，能量傳遞，能量發射3 個階段。配體敏化鋱離子發光過程機制可以用圖1 來解釋。高效配體（供體）吸收能量后從基態（S0）變成激發單重態（S1），通過系間竄躍能進入激發三重態（T1），當配體的激發三重態與鋱離子的5D4發射態能量水平重疊時，能夠發生能量轉移的過程，能量轉移到位于較低能級的Tb3+，該過程屬非輻射躍遷。處于最低激發態能級的Tb3+隨之發生輻射躍遷，可發出綠色熒光［15］。其特征發射光譜對應于從5D4能級到7Fj（j= 3，4，5，6）的電子躍遷。并且由5D4到7F5的能級躍遷發出的熒光最強，在熒光光譜上表現出尖銳的發射峰。此外，配體從不同多重態的激發態（單重激發態或三重激發態）向基態（S0）輻射過程中也會產生相應的熒光或磷光［12］。

因此，高效的配體或敏化劑，除了應具有較高的吸收系數、高熱力學和動力學的穩定性等特點外，其還需具有較小的單線態與三線態之間的能隙，如此才能進行有效的系間竄躍，并且其最低三重態與鋱離子的最低激發態匹配程度應相當或者重疊。此外，有機配體連接的基團、配位環境以及多種配體的參與導致的協同發光效應也能影響鋱離子配合物的發光性能［5］。

圖1 敏化鋱離子發光能量轉移機制

1.5 鋱離子與核酸

能量轉移試驗中，寡核苷酸和Tb3+形成的配合物最具代表性［16］。如DNA，是與磷酸基團相關的核苷酸堿基（A、T、G 和C）的帶負電荷的聚合物，并且其組成和構象具有可編程性，易化學合成，易購置，具有穩定性，純度高，成本低［17］。

核堿基（嘌呤或嘧啶堿基）為DNA 組成部分之一，是良好的發色團，可作為能量轉移過程中的供體，因而核酸及其片段在一定波長范圍內對紫外輻射有較強的吸收，并且特定堿基對應特定的吸收波長。其中鳥嘌呤（Guanine，G）在波長約285 nm 處有最大紫外光吸光值，并且具有合適的三重態能量［18］，能將能量傳遞至Tb3+，即鳥嘌呤能夠敏化Tb3+發光，是有效的敏化劑。從其結構來看（圖2-A），G 的六元環上，O6 和N7 是Tb3+的合適配位位點。此外，還有胞嘧啶（Cytosine，C），其通過O2 和N3 能與Tb3+配位。G 和C 均可增強水溶液中Tb3+發光，二者發光增強效果的差異可能源于三重態能量形成的量子產率的差異或是結合穩定性以及動力學的差異。另外，腺嘌呤（Adenine，A）和胸腺嘧啶（Thymine，T）因為不具有相鄰的高電子密度區域，其氧原子僅用于鍵合作用［9］。Tb3+作為具有高電荷密度的硬路易斯酸，對DNA 的磷酸骨架也具有高親和力，可以與磷酸基團結合。Tb3+能與所有核苷酸單磷酸的磷酸鹽配位，即與磷酸基團上的氧進行配位，但是能進行有效的能量轉移的配體主要來自堿基［9，16］。

在此基礎之上，核苷類別中的 鳥嘌呤核苷（Guanosine），由鳥嘌呤和核糖環組成，作為一種在紫外區具有高消光系數的配體，能產生天線效應。鳥苷經磷酸化后可形成鳥苷一磷酸（GMP），與其二磷酸鹽和三磷酸鹽類似物相比（圖2-B），是一種更好的能量轉移供體。致敏效率：鳥苷一磷酸（GMP）＞鳥苷二磷酸（GDP）＞鳥苷三磷酸（GTP）［9］。此外還有四磷酸鳥苷（ppGpp），為高度磷酸化的鳥苷酸分子，其結構與鳥嘌呤核苷酸具有高度相似性，在G 的5'位點和3'位點附著兩個磷酸基團［19］。4個呈鉗型分布的磷酸基團能更好的螯合Tb3+。

圖2 結構示意圖

1.5.1 Tb3+與單鏈DNA 對于具有特異性序列的單鏈DNA，如富含G 或富含GT 的單鏈DNA 等，都能增強Tb3+的發光強度。特別是富含G 的ssDNA 能顯著增強水溶液中Tb3+的發光強度［4］，如［G3T］5序列被廣泛應用于敏化Tb3+發光［20-22］。［G3T］單元（圖2-C），包含3 個鳥嘌呤堿基和1 個胸腺嘧啶。因為3 個G 在和Tb3+配位的情況下仍缺乏1 個與Tb3+配位的位點，而1 個T 的磷酸集團上的氧恰好能夠提供1 個金屬配位位點，從而能夠和Tb3+配位以達到充分敏化Tb3+發光的目的。與傳統的有機天線配體相比，單鏈DNA 不僅具有良好的水溶性，其還有著結構多樣，生物相容性良好，重現性優異等特點。此外，Tb3+還可以促進具有富G 序列的ssDNA 折疊成緊湊的G-四鏈體，G-四鏈體（G-quadruplexes，G4）是由DNA 單鏈形成的特殊結構［23］。和鉀離子（K+）、鈉離子（Na+）一樣，Tb3+也能穩定G4 的結構，位于G4 的中心，可形成（G4/Tb）結構，G4 也能敏化Tb3+發光。

1.5.2 Tb3+與雙鏈DNA 包括鋱在內的鑭系元素對雙鏈DNA 幾乎沒有穩定作用，還會使雙鏈不穩定，雙鏈解離之后，能暴露更多的堿基，在一定條件下有利于敏化發光過程的發生［16］。另外，雙鏈DNA的簡單檢測方法通常和鋱離子配合物在靜態淬滅的機制下得以實現，這些配合物往往是與具有特殊結構和性質的納米材料復合成的，如接下來將要介紹的碳點，MOFs 材料等［13，24］。此外，雙鏈序列中如果存在單個堿基錯配的堿基對，Tb3+的發光也會 增強［9-10］。

1.6 鋱離子與肽

圖3 兩種雙核鋱（III）復合物結構以及兩種策略（A）和（B）［25］

肽由氨基酸縮合而成，多肽可進一步折疊成蛋白質。肽可以與鋱離子配合物形成發光配合物。如圖3 所示，Akiba 等［25］介紹了兩種雙核鋱（III）離子復合物。當鋱（III）離子配合物與肽底物結合后，底物肽磷酸化時配位鋱離子的肽被利用，鋱（III）離子配合物發光信號因而改變。有兩種策略，第一種策略（A），構建非共軛鋱（III）復合物Tb2-L1，利用磷酸酪氨酸（phosphotyrosine，pTyr）的苯酚作為天線配體。當pTyr 的磷酸鹽與Tb2-L1結合時，該酚位于Tb3+離子附近。在用紫外光照射時，苯酚吸收光的能量，并將能量轉移至發射中心的Tb3+。不發生磷酸化時，該結合不會發生，因為酚基團離Tb3+距離太遠無法進行有效的能量轉移。第2 種策略（B），Tb3+復合物（Tb2-Lc1yne）與肽底物偶聯。具體為Tb2-Lc1yne 通過點擊反應與帶有疊氮化合物的底物肽中半胱氨酸殘基的硫醇基團實現共價偶聯，這是一種更有效的分子內的反應，能夠很好地克服靜電排斥作用。

1.7 鋱離子的復合材料

大量研究表明，利用鋱（III）離子及其配合物與納米材料復合形成的新型稀土納米復合材料，可以充分利用彼此的功能優勢，如利于納米材料本身的發光性質加上稀土元素Tb3+優異的發光性能，經摻雜體系或表面的共價修飾、配位、包覆、吸附等不同作用方式，結合兩種發光材料的優勢，能提高復合物材料的發光性能，從而應用在熒光分析、生物傳感的領域。稀土納米粒子的制備方法很多：熱分解法、醇鹽法、沉淀法、溶膠法、溶膠-凝膠法和水熱法等。所涉納米材料包括層狀材料、金屬有機骨架、碳量子點、二氧化硅等。

1.7.1 與層狀材料 陰離子型層狀材料的層狀雙氫氧化物 陰離子型層狀材料的層狀雙氫氧化物（Layered double hydroxide，LDHs）是一類層柱狀化合物，具有帶正電荷的金屬氫氧化物層，且層間填充可交換陰離子。其具有良好的生物相容性，并且細胞毒性低，可以作為生物活性分子的載體，生物分子通過附著于表面，共沉淀或陰離子交換反應嵌入LDHs 材料中。其中層狀稀土氫氧化物（Layered rare-earth hydroxide，LRHs）可以剝落成單層或若干層厚的納米片以進一步構成各種納米結構而被廣泛研究，其通式為［RE2（OH）5（H2O）n］［Am-］1/m（RE：稀土陽離子，A：陰離子）［8，26-27］。

1.7.2 與金屬有機骨架 金屬有機骨架（Metalorganic frameworks，MOFs），是一種有機-無機雜化材料，也稱多孔配位聚合物，由金屬陽離子或簇和有機配體組成［28］。其特征為兼具無機材料的剛性和有機材料的柔性，具有新穎的拓撲結構［29］。其中鑭系金屬有機骨架（Lanthanide metal-organic frameworks，Ln-MOFs）近年來被廣泛研究［30］。以Tb-MOFs 為代表，具有發光性質并且其結構具有很強的延展性、可調節性和設計性，可設計為熒光探針，用作傳感材料，且大多數基于熒光淬滅的傳感機制。

1.7.3 與碳量子點 碳點（Carbon dots，CDs）是一種新興的碳納米材料，具有優良的光學性質、較好的生物相容性和低的細胞毒性，且容易制備。熒光碳點作為一種良好的發光材料，在生物成像、疾病診斷、化學傳感和光催化等領域具有廣闊的應用前景［24］。將Tb3+摻入碳點或者對碳點表面進行修飾，基于天線效應能改善其熒光特性，可擴大碳點在熒光分析和生物傳感中的應用范圍。

1.7.4 與二氧化硅 二氧化硅（SiO2）是一種生物相容性強、穩定性好的納米材料，其表面易于修飾以附著生物分子。將發光體系中摻雜二氧化硅納米粒子能夠制備光穩定性更好、壽命更長、親水性更好、尺寸更小的探針［31］。例如，通過共價交聯將鋱 （III）離子配合物包封到無機主體中，所獲得的SiO2包覆納米顆粒和游離的鋱（III）離子相比，抗光漂白能力也更強。可以應用生物標記［32］、設計發光傳感器［33］等。

1.8 鋱離子及鋱離子復合物相關的研究技術

利用鋱（III）離子配合物獨特發光性質建立有由Evangelista 等于1991 年應用的酶放大鑭系發光（Enzyme-amplified lanthanide luminescence，EALL）的技術［2］。它是以酶作為標記物或者目標分析物，通過酶促反應將底物轉化成的產物可以與鑭系元素形成發光螯合物，并結合時間分辨或者常規的熒光方法檢測產物螯合物，可用于DNA 雜交測定［34］。其中，時間分辨熒光分析法也叫時間分辨熒光免疫分 析（Time-resolved fluoroimmunoassay，TRFIA），于1979 年創建［35］，是一種非放射性微量分析技術，也是一種特殊的熒光分析［2］。它是以鋱粒子螯合物作為標記物，利用其較長的衰減壽命可以減少來自樣品自然熒光的干擾，消除非特異性散射光。其較高的信噪比，極大提高了檢測分析靈敏度，在生物分析領域應用十分廣泛［31］。也有學者將時間分辨發光技術稱為時間門控發光技術（Time-gated luminescence，TGL）［17-18，36］，其核心在于通過設置一定的延遲時間，排除了短壽命的背景熒光造成的信號干擾之后再采集來自長壽命的熒光信號，依此將長壽命熒光與短壽命熒光區分開來。此外，還有由時間分辨熒光技術和熒光共振能量轉移技術相結合的均相時間分辨熒光技術（Homogeneous timeresolved fluorescence，HTRF）［37-38］，具有不需多次孵育、洗滌和分離等步驟的優勢。

2 鋱離子及鋱離子復合物介導的生物傳感器

2.1 鋱離子介導的核酸生物傳感器

生物傳感器能在復雜樣品基質中能夠檢測到廣譜的分析物質，其高度的特異性和敏感性對于檢測而言十分重要［39］。按檢測靶標物質的不同，基于鋱離子構建的生物傳感器也具有多樣性。從信號轉換器的角度來看，大多數為發光生物傳感器。因為鋱離子的特殊發光性質，根據其發光的變化建立的傳感器主要類型有“turn-on”型、“turn-off”型等。“turn-on”型即是根據靶標物質誘導的發光信號增強的原理來實施檢測，“turn-off”型則是基于靶標物質引起發光信號的減弱甚至淬滅的機理。

2.1.1 鋱離子介導的DNA 生物傳感器 2007 年，Chen 等［32］通過反相微乳液法制備含有鋱配合物的二氧化硅納米粒子，用二氧化硅包覆的納米鋱配合物的發光強度相當于340 個游離的的鋱配合物的發光強度，并且熒光壽命達到1.5 ms，可用于時間分辨熒光分析。如圖4-A 所示，鋱離子配合物由作為光吸收天線的基于喹諾酮的染料分子（Cs124）和基于聚氨基羧酸鹽（DTPA）的螯合劑，以及鑭系元素鋱離子組成。其中，染料分子用于捕獲激發光并通過熒光能量轉移使鑭系離子發光敏化，發光增強約175 000 倍（4-B）。而聚氨基羧酸鹽溶解性好且與鑭系元素有較高的結合常數。通過簡單的偶聯反應避免了傳統方法合成配體的復雜環節。其后，該配合物可用于標記DNA 和另一捕獲探針DNA 固定在磁性微球上，目標DNA 可以與二者互補配對從而進行DNA 夾心雜交實驗，不同濃度的目標DNA 對該鋱復合物具有良好的熒光響應，檢測限達到 8× 10-11

圖4 Tb3 +與喹諾酮、DTPA 形成的復合以及能量轉移機制原理圖［32］

mol/L。從檢測的靈敏度來看，該方法比熒光素染料異硫氰酸酯（FITC）溶液光譜測量提高至少100 倍。

2012 年，Wu 等［40］利用普利沙星（Prulifloxacin，PUFX）與Tb3+形成的絡合物PUFX-Tb3+設計了檢測鯡魚精子DNA（hsDNA）的發光傳感器，檢測范圍3.0×10-9- 1.0×10-6g/mL，檢測限低至 2.1× 10-9g/mL。其中每個Tb3+的8 個配位點可以被PUFX的O 和溶劑中的H2O 分子的O 飽和。加入DNA 以后，PUFX-Tb3+能夠嵌入堆疊的DNA 堿基對中，形成三元復合物PUFX-Tb3+-DNA，增加了復合物的剛性，并減少因為周圍介質水分子的O-H 振動造成的無輻射能量損失。基于鳥嘌呤的敏化作用及分子間能量轉移機制，鋱離子的發光強度約10 倍。

2016 年，Soltani 等［41］構建了基于鋱-達氟沙星（Tb3+-Dano）復合物的熒光探針，用以測定小牛胸腺DNA（Calf thymus DNA，ctDNA），檢測限為8 ng/mL。Tb3+-Dano 具有良好的水溶性和穩定性。當加入ctDNA 時，Tb3+-Dano 系統的熒光強度大大增強。該熒光探針用于測定納克級的ctDNA。

2018 年，Liu 等［24］通過水熱法制備摻雜有鋱（III）的碳點（Tb-CD）（圖5）。所得Tb-CD 的粒徑小（3 nm）而均勻，熒光性能良好，能夠光致發光并且具有優異的水分散性。Tb-CD 具有許多功能性極性基團，主要是-COOH、-OH 和-NH2，因而可以使Tb-CD 在水溶液中保持穩定。其官能團與雙鏈ctDNA 具有強烈的相互作用，能導致熒光淬滅。通過計算結合常數和熱力學常數證明了該淬滅機制為靜態淬滅。基于該系統熒光信號的相對變化，建立了一種測定雙鏈ctDNA 的熒光淬滅方法，檢測限為53 ng/mL。

圖5 Tb-CDS 檢測雙鏈ctDNA 的原理圖［24］

2015 年，Jiang 等［20］基于最優天線配體［G3T］5敏化Tb3+發光的原理設計了一種檢測目標DNA 的傳感器（圖6）。通過識別信號放大和降低背景兩種方式來提高DNA/ Tb3+生物體系的檢測靈敏度。其中核酸信號放大策略為自催化多循環放大技術，它包括核酸外切酶（III）和Zn2+依賴性8-17 型DNAzyme（DNA 切割核酶）輔助的目標循環放大過程，而信號背景的降低是通過引入Fe3O4磁納米粒子，經磁分離步驟能成功地將信號分子從復雜樣品溶液中分離出來，最終獲得純［G3T］5序列，避免了非特異性敏化從而降低背景值，并且還提高了該實驗的重復性和穩定性。

圖6 ［G3T］5 敏化Tb3+發光檢測目標DNA 原理圖［20］

2.1.2 鋱離子介導的microRNA 傳感器 2015 年，Zhang 等［42］利用了單鏈致敏的Tb3+的獨特熒光特性，基于雙特異性核酸酶輔助（Duplex-specific nuclease，DSN）靶循環可無標記檢測腫瘤標志物microRNA-21，檢測限低至8 fM。如圖7-A 所示，設計的捕獲探針由兩部分組成，一部分是可與microRNA-21 結合的部分固定在磁珠上，能夠形成DNA-RNA 異源雙鏈；另一部分則為信號放大部分。DSN 能夠對DNA-RNA 雜交體中的DNA 進行切割，能水解捕獲探針上與靶結合的部分，從而釋放microRNA-21，其后與新的捕獲探針雜交，進入循環過程。通過磁分離得到捕獲探針的信號輸出部分，放大由發光增強的Tb3+產生的熒光信號。

2018 年，Chi 等［14］構建了基于G-四鏈體敏化發光Tb3+的發光探針，用于microRNA-21 的發光傳感檢測，檢測限低至0.108 pM。該方法能區分microRNA 其他的家族成員，且在癌細胞提取物中也能發揮作用。此外，通過改變相應的DNA 探針還可以應用于其他microRNA 或適配體的檢測。其原理如圖7-B 所示，microRNA 存在時，其作為引發聚合反應的觸發子，借助末端脫氧核苷酸轉移酶的核苷酸底物特異性，催化鳥嘌呤形成富含G 的核苷酸序列。在核苷酸底物的組合為60%的dGTP 和40%的dATP 時，Tb3+促進富含G 的核苷酸序列進一步形成G-四鏈體，并且Tb3+被包封在四鏈體核的中心腔中，鳥嘌呤通過能量轉移增強Tb3+的發光。

2.2 鋱離子介導的金屬離子傳感器

2015 年，Chen 等［43］建立了一種由硫磺素T（Thioflavin T，ThT）和鋱離子介導的檢測Tb3+的熒光生物傳感器（圖8）。水溶性ThT 是一種G-四鏈體的特異性染料，對G-四鏈體結構有明顯的選擇性，能誘導G-四鏈體產生穩定的發光。在ThT 和鉀離子存在的體系中，DNA 折疊形成平行G-四鏈體，能夠穩定G-四鏈體結構，彼此之間具有強相互作用，使得熒光強度增強。在引入鋱離子后，鋱離子競爭結合G-四鏈體導致其構象的改變，釋放了G-四鏈體上的ThT，從而引起ThT 發射熒光強度的減弱，根據熒光信號的變化從而超痕量檢測Tb3+，Tb3+濃度與熒光強度呈現良好的線性關系，檢測范圍在1.0 pmol/L-10.0 μmol/L，檢測限為0.55 pmol/L。

圖7 兩種鋱介導的microRNA-21 傳感器原理圖［14，42］

圖8 ThT 和Tb3+介導的檢測Tb3+傳感器原理圖［43］

2016 年，Pal 等［44］設計了一種新的基于Tb3+的3D多孔MOF（Porous metal organic frameworks，PMOF），通過在紫外光下觀察到的熒光猝滅，選擇性地和可逆地感測二甲基甲酰胺（Dimethilformamide，DMF）懸浮液中的 Fe3+。檢測原理基于激發能量的競爭吸收機制。2018 年，Wang 等［29］提出的新型發光Tb-MOF，通過將三唑單元錨定在其骨架上，改善了其發光傳感特性，提高傳感性能，能同時檢測Fe3+、Cr2O72-、CrO42-和MnO4-等重金屬離子。2018 年，Xue 等［17］利用DNA 致敏的Tb（DNA/Tb）作為無標記、多功能的“化學鼻/舌”，結合時間門控發光檢測技術，開發了基于發光壽命的傳感器。該團隊篩選出一系列富含鳥嘌呤/胸腺嘧啶（G/T）的DNA 配體，最終得到3 種DNA/Tb 傳感器，來檢測49 種金屬離子包括堿金屬離子，堿土金屬離子，過渡/后過渡金屬離子和鑭系元素離子。簡言之，3種配體能夠調節天線效應，對廣泛的金屬離子產生強烈不同的鋱發光響應。利用時域來區分長壽命發光和短壽命發光。

2.3 鋱離子介導的蛋白質傳感器

Tb3+配合物與肽結合能檢測特定的蛋白質，如細胞周期蛋白A。1、4、7 和10-四氮雜環十二烷-1，4，7，10-四羧酸（簡稱DOTA）是一種有機多齒配體，其與鋱離子的配合物如圖9-A 所示。Pazos 等［45］設計了一種能夠與細胞周期蛋白A 特異性結合的肽，將摻入的鋱離子螯合大環DOTA（DOTA［Tb3+］復合物）引入肽支架中（圖9-B）。鋱螯合八肽與細胞周期蛋白A 的結合溝（Cyclin binding groove，CBG）相互作用，使得摻入細胞周期蛋白結合態的鋱離子距離色氨酸（Tryptophan，Trp）不超過15-20?，Trp（217）能夠用作天線，能夠敏化鋱離子，通過分子間敏化引起能量轉移，因此能夠構建檢測細胞周期蛋白A 的熒光傳感器，檢出限約為30 μg/mL。

2.4 鋱離子介導的酶活性傳感器

圖9 鋱離子介導的蛋白質傳感器［45］

2014 年，Akiba 等［25］基于鋱（III）配合物能與肽底物結合，底物肽發生磷酸化時，即將一個磷酸基團加到蛋白質時，與鋱離子發生配位作用，肽與鋱離子配合物形成發光配合物作為信號輸出基團會因此發生改變。利用這一機制，可實時監測酪氨酸磷酸化。蛋白質磷酸化與去磷酸化是生物體中重要的調節機制，能夠介導細胞內信號轉導，其與許多疾病密切相關。

前面所提的第一種策略非共軛鋱（III）復合物Tb2-L1雖能確保了最小的背景信號，但是Tb2-L1與底物肽之間的作用屬于靜電吸引作用而不是配位作用。當底物肽帶正電荷時，該分子間的締合無法進行，檢測信號非常弱。而第2 種策略Tb3+復合物（Tb2-Lc1yne）與肽底物偶聯，這作為一種更有效的分子內的反應，能夠很好地克服靜電排斥作用。在實時監測酪氨酸磷酸化時，基于時間分辨光譜法，能夠進行詳細的定量分析，靈敏度和信噪比更高。

2018 年，Han 等［46］基于時間分辨發光技術（TRL）開發了一種無標記生物傳感器，用于乙酰化介導的肽/DNA 相互作用和Tb3+/DNA 發光探針分別連續檢測組蛋白乙酰轉移酶（HAT）和組蛋白去乙酰化酶（HDAC）的酶活性。其原理為富含鳥嘌呤（G）的ssDNA 敏化的Tb3+發光作為輸出信號，聚陽離子底物肽以高親和力與DNA 相互作用，隨后取代Tb3+消除發光信號，以此反映HAT 或者HDAC 的酶活性。檢測HAT 的線性范圍為0.2-100 nmol/L，檢測限為0.05 nmol/L；連續監測HDAC 催化的脫乙酰化，線性范圍為0.5-500 nmol/L，檢測限為0.5nmol/L。

2.5 鋱離子介導的其他小分子傳感器

2.5.1 鋱離子與碳量子點相結合介導的傳感器

2.5.1.1 鋱離子與碳量子點相結合介導ATP 傳感器 2016 年，Xu 等［47］先以含多羧基的葡萄糖為碳源，與鈍化顆粒合成的碳點（CDs）。再用微波的方法，將氯化鋱水溶液中的三價鋱離子通過與羧基配合化學組裝到碳點上形成Tb-CDs，形成具有強熒光強度的鋱離子能官能化碳點，并結合金納米粒子（Gold nanoparticles，AuNP），隨之構建了AuNP-Tb-CD 熒光適配體平臺以用于測定靶ATP（圖10-A）。其檢測基本原理為，當不存在ATP 時，即便有ATP 適配體存在的情況下，金納米顆粒傾向于在高鹽狀態下聚集，而在該體系中引入靶ATP 時，ATP 和適配體形成適配體-ATP 復合物抑制了金納米粒子的聚集，分散的金納米粒子通過熒光共振能量轉移（FRET）能有效淬滅熒光信號，從而構建一種基于熒光淬滅機制的檢測方法。

圖10 鋱離子與碳量子點相結合介導的傳感器

2.5.1.2 鋱離子與碳量子點相結合介導ppGpp 傳感器 ppGpp 為高度磷酸化的鳥苷酸分子，在基因表達中發揮著重要作用。2018 年，Chen 等［19］通過兩個步驟來制備鋱修飾的熒光CD（CDs-Tb），首先通過水熱法制備發藍光的CDs，然后在CDs 的表面鋱離子與羧基和氨基基團配合形成CDs-Tb（圖10-B）。ppGpp 存在時，ppGpp 含有4 個磷酸基團，能提供與鋱離子配位位點，并且其類似于鉗狀的結構能夠螯合鋱離子，產生天線效應，從而提高了鋱離子的發光強度。并且一般的核苷酸如GDP、GMP 等對CDs-Tb 的熒光發射幾乎沒有影響，在復雜樣品中具有高選擇性。Tb-CDs 因為在水溶液中的熒光發射峰保持不變可作 內置參考信號，Tb3+結合ppGpp 后表現出的增強的熒光發射信號作為熒光響應信號。該團隊利用Tb3+的天線效應和CD 的特異識別能力的協同效應，構建了一種鋱修飾碳點（CDs-Tb）的熒光比率探針，高靈敏度、高選擇性檢測ppGpp，檢測限低至50 nmol/L。這種比率型熒光探針的優勢體現在既可以保留CDs 的固有熒光還能保持CDs 自身與Tb3+配位的能力，避免了背景熒光的干擾，提高了檢測靈敏度。該團隊還因此構建了基于CDs-Tb 的紙張傳感器用于ppGpp 的可視化檢測。

2.5.2 鋱離子與SiO2相結合介導的葡萄糖傳感器 2018 年，Yu 等［33］利用溶膠-凝膠方法合成表面改性的SiO2納米粒子，制備了以鋱為中心的雜化-有機無機材料，納米晶體的平均直徑為40 nm，進而建立了基于鑭系雜化網絡的葡萄糖傳感器，葡萄糖的檢測限為3.4 μmol/L。在溶膠-凝膠基質中將戊二酸酐引入獲得羧酸酯基團，能與中心金屬離子Tb3+配位，和2-羧基苯基硼酸（配位配體）均被包封，建立了新的混合結構。其光致發光的結果表明了該材料能夠提高Tb3+在水溶液中的發光性能，有強烈的綠色發光。而且提高了該復合材料熱穩定性，Si-O 共價相互作用的強大聯系可以增強納米結構，分解溫度提高，還具有傳感可重用性。

2.5.3 鋱離子與吡啶二羧酸配合介導的傳感器 吡啶二羧酸（Dipicolinic acid，DPA）又稱喹啉酸，大量存在于細菌的芽孢中［48］。吡啶二羧酸陰離子作為通用成分，能敏化Tb3+，形成強烈的發光螯合物［49］。而且吡啶二羧酸陰離子與Tb3+形成的螯合物比與Eu3+形成的螯合物更穩定，發出的信號更強［12］。

1997 年，Rosen 等［50］發現Tb3+和孢子殼中的吡啶二羧酸鈣反應形成哌啶甲酸鋱（III）螯合物。基于Tb3+光致發光的原理，該復合物產生強烈且獨特的光致發光光譜，提高了Tb3+單獨存在時的光致發光強度，初步構建了一種檢測細菌孢子的方法。

2017 年，Wang 等［51］在時間分辨熒光檢測技術的基礎上，建立了一種新型雙鑭系元素（鋱和銪）時間分辨的熒光比率型探針。將構建好的Tb/DPA@SiO2封裝到自組裝Eu/GMP 配位聚合物（CPs）的網絡結構中，形成Tb/DPA@SiO2-Eu/GMP 配合物用以檢測炭疽中DPA 的濃度。如圖11 所示，其原理為Tb/DPA@SiO2基于DPA 的敏化作用可以發出強烈綠色熒光，在DPA 存在下，通過排除Eu/GMP CPs 中的水，形成Tb/DPA@SiO2-Eu/GMP/DPA 能顯著增強Eu 的紅色熒光。其中Tb/DPA@SiO2用作穩定的參考信號，Eu/GMP CPs 用作敏感響應信號。除了檢測DPA，Tb3+與DPA 形成的絡合物還可以應用于常規分析某些化合物，例如多巴胺，它在中樞和外周神經系統中起重要作用。2012年，Wabaidur 等［52］使用二元鋱絡合物Tb3+-DPA 的熒光增強實現了多巴胺的熒光測定，檢測限和定量限分別為1.2×10-8mol/L 和4.1×10-8mol/L。此外，2，6-吡啶二羧酸及其衍生物還可以結合EALL 和時間分辯熒光分析技術用于評價酯酶的選擇性和靈敏 檢測［53］。

2.5.4 鋱離子與銀離子介導的發光傳感器 通過引入金屬離子例如銀離子（Ag+），與Tb3+競爭結合G-四鏈體，以一種競爭結合機制，根據靶標誘導G4/Tb 復合物的發光變化，可用于可視化傳感檢測。Ag+通過與G 的O6 和N7 配位破壞G-四鏈體結構，抑制Tb/G4-血紅素DNA 酶的過氧化物酶樣活性。2016 年，Tang 等［54］開發了一種檢測硫化氫（H2S）的比色傳感器。H2S 存在時，能夠競爭性結合Ag+，生成更穩定的Ag2S 沉淀，Tb/G4-血紅素DNA 酶的過氧化物酶樣活性得以恢復。而由Tb3+促進的Tb/G4-血紅素DNA 酶的活性，比常用鉀離子（K+）和鈉離子（Na+）促進的G4-血紅素DNA 酶活性更高，可以催化H2O2氧化，使ABTS 生成有色產物ABTS·+。同樣由Ag+介導的破壞G4/Tb 結構，Ag+與Tb3+競爭結合G-四鏈體上的G，Ag+通過與G 的O6 和N7 配位增加了鳥嘌呤堿基的剛性，改變了鳥嘌呤的激發態，引起能量從核堿基到Tb3+更有效的轉移［10］，銀離子的加入起到了熒光增強的效應。

圖11 基于Tb/DPA@SiO2-Eu/GMP 復合物的DPA 檢測熒光探針的示意圖［51］

2014 年，Zhang 等［21］利用最優單鏈［G3T］5序列作為Tb3+的天線配體，使Tb3+的發光效率提高3 個數量級。如圖12 所示，通過Ag+和Cys 介導其可逆發光變化設計了一種邏輯門和過氧化氫的傳感器。c［G3T］5序列是一條與［G3T］5序列互補配對的富C 序列，二者形成雜交鏈。銀離子因為能夠形成更為穩定的C-Ag+-C 的復合結構將雙鏈［G3T］5/c［G3T］5打開，使得［G3T］5序列釋放從而敏化Tb3+發光，而Cys 的加入則能競爭結合Ag+從而破壞C-Ag+-C，使得c［G3T］5重新與［G3T］5雜交，發光系統則恢復“關閉”狀態。又因為過氧化氫能將半胱氨酸氧化成胱氨酸，從而逆轉了半胱氨酸介導的發光降低現象。基于Tb3+-DNA 的發光探針以及Tb3+、Ag+、［G3T］5/ c［G3T］5的傳感系統，設計了一種“turn-on”型的過氧化氫發光傳感器。

綜上所述，基于天線效應的基本原理和靶標誘導發光信號值的變化，由鋱離子及其復合物介導的生物傳感器涵蓋從生物大分子核酸、蛋白質到各種小分子靶標物質的檢測，涉及領域從食品安全到環境監測。與鑭系元素獨有的時間分辨熒光的檢測手段相結合，其檢測不僅具有高選擇性，和傳統的方法相比，在靈敏度方面也有很大的提升，檢測限可低至皮摩級別。但是其大多數屬于基于液相以及體外的檢測方法，對于需要在生物體內進行檢測的靶標物質還有極大研究空間，尤其是對其毒性的研究。此外，由于檢測時需要依靠固定儀器設備的使用，在實際應用方面有一定的局限性。其具體產品的開發方面還有很大的發展空間。例如，便攜式檢測儀，商業化的試劑盒以及試紙條等對于實現對目標物質的快速、靈敏、原位檢測具有十分重要的意義

圖12 由Ag+和半胱氨酸調節的Tb3+發光傳感器原理圖［21］

3 在藥物遞送、細胞成像、癌癥診斷及治療方面的應用

3.1 在藥物遞送過程中的潛在應用

游離的Ln3+在pH 約為9 時，容易形成氫氧化物，在生物系統中顯示出一定的毒性。鑭系元素在和合適的配體進行配合之后形成的鑭系復合物能夠適當地降低毒性。2017 年，Ju 等［6］通過水熱法合成NO3

-型LTbH（NO3-LTbH），通過陰離子交換法將阿司匹林（縮寫ASA）插入層狀氫氧化鋱（LTbH）中，形成一種新型的復合材料，顯著增強了Tb3+的發光。因為ASA 陰離子和Tb3+中心之間能進行有效的能量轉移。該復合材料用來檢測ASA，復合材料的熱穩定性高。用磺酰羅丹明B（Sulforhodamine B，SRB）比色法觀察到細胞毒性低，還能在一定的緩沖體系中進行ASA 藥物持續釋放，對藥物有明顯的緩釋作用，可維持約36 h。對于半衰期短的阿司匹林而言，有利于延長該治療劑的持續時間。因而在生物系統檢測和藥物遞送領域都有著潛在的應用。

3.2 在細胞成像方面的應用

細胞成像技術對于醫學研究具有重要意義，細胞內微小的變化便能引起細胞功能障礙。用高量子產率的熒光團制備熒光探針，能夠實現對細胞內活性物質如核酸、蛋白質、陰陽離子、小分子物質的實時原位監測，在細胞成像技術中具有重要地位［55］。基于鑭系絡合物優異的光譜特征，鑭系元素絡合物還可用來研究多重成像和多光子顯微鏡的生物探針的制備。Tb3+構建的探針可長期用于細胞過程的多光子成像，細胞攝取能力良好，能消除細胞培養基中光散射的干擾和生物分子的自發熒光，容易儲存，并且可以光降解。這些特點使得其特別適用于信號轉導，癌細胞分裂過程中的胞質分裂，抗體綴合和光漂白后熒光恢復的研究［56］。

3.2.1 Tb 構建的探針用于生物硫醇的分子成像 Zhou 等［57］設計并合成了一種新型的基于鋱發光雜化無機/有機探針，用于生物硫醇的分子成像。分散在水中的介孔二氧化硅納米球用作共價連接的含鑭系元素有機結構的合適主體。鑭系元素結構與磺酸酯單元連接，該磺酸酯單元在生物硫醇存在下被裂解以產生鋱發射。不僅如此，該智能探針可滲透細胞膜，在人胚腎細胞和人肺腺癌細胞中存在半胱氨酸和谷胱甘肽時選擇性地發光，并且能定量檢測，得到生物硫醇的檢測限。其中半胱氨酸為36.8 nmol/L，谷胱甘肽為32.5 nmol/L，同型半胱氨酸為

34.7 nmol/L。

3.2.2 Tb 構建的探針用于癌細胞成像及治療 Bui 等［58］使用時間采樣壽命成像顯微鏡技術固定T24癌細胞，能觀察在單光子或雙光子激發下鑭系元素離子的毫秒級發光壽命成像，以檢測細胞內黏度的空間和時間變化。該團隊通過設計對黏度敏感的發光鋱配合物用以探測胞內環境。該方法獨創性在于依靠黏度引起發光壽命的變化，構建了直接測量細胞內黏度的熒光探針，可在所研究的復合物的黏性介質中觀察到量子產率和發光壽命均增加4 倍，黏度在較寬范圍（0.6-1 200 cP）內的壽命為0.23-0.89 ms，達豪秒級，與迄今為止其他已知分子相比具有明顯優勢。大量研究表明DTPA 或DOTA 的水溶性Eu（III）和Tb（III）雙鑭系螯合物制作的生物探針具有高靈敏度，還有高抗氧化活性。例如，與小牛胸腺DNA 相互作用，可以作為癌癥細胞的細胞成像探針［5］。2016 年，Dasari 等［59］利用雙光敏化的穩定的Eu（III）和Tb（III）復合物，用以生物成像和光響應性治療劑。光響應治療劑在癌癥的治療過程中，能夠實現對藥物的輸送和時間控制。該團隊使用共聚焦熒光顯微技術觀察癌細胞HeLa，MCR-7 和H460 癌細胞，發現該復合探針可定位細胞質和細胞核。并且在光照射下產生活性氧導致光細胞毒性使得細胞凋亡。這種有效的光致DNA 裂解十分適合于癌細胞的診斷光療，有著成為治療癌癥藥物分子的可能性。

一般而言，許多藥物分子與DNA 的相互作用可能存在溝槽結合和嵌插兩種作用方式。并且部分嵌入劑可以針對性地應用于治療乳腺癌或血癌等癌癥［5］。鑭系金屬離子、鑭系金屬離子配合物其與DNA 發生作用可能屬于嵌插作用，能夠選擇性地嵌入到核堿基對中。而有的研究通過研究DNA 黏度表明其與DNA 的作用模式并非嵌插作用而是溝槽結合［13］。因此，如果鑭系配合物作為藥物分子裂解DNA 以誘導腫瘤細胞的凋亡，其具體結合機制有待進一步研究，但毫無疑問其成為抗腫瘤新藥物的潛在性。

4 總結與展望

近些年研究者們對于鋱（III）離子配合物的研究工作多基于光致發光的原理，充分利用其優良的光學特性，構建發光探針及發光傳感器，可以檢測包括核酸、蛋白質、金屬離子、小分子等各種靶標物質，在生物傳感器的領域應用廣闊。但是關于其能量轉移的機制以及供體與受體的相互作用十分復雜，有待進一步研究。鋱（III）離子及其配合物與各種納米材料的結合形成的復合物具有多樣化的合成及表征形式，可獲得出色的復合材料。充分結合二者的優勢往往可以改善其性質，特別是其發光性質，可應用在染料、發光材料以及光功能材料、光學傳感等領域。例如，鋱（III）離子、熒光碳量子點的相結合形成的新型發光材料，可應用于活細胞的多色成像，并且細胞毒性低；還有鋱金屬有機凝膠，這種新型凝膠納米材料應用于電化學發光領域，可作為電化學發射極的潛在材料。相比于基于光致發光的研究，其在電化學發光領域的研究還處于起步階段，具有一定的研究潛力與應用價值。

鋱（III）離子配合物的研究還有利于醫學和生物學的發展。鋱（III）離子與層狀材料形成的層狀氫氧化鋱可用于藥物遞送，并且氫氧化鋱納米顆粒還有促血管生成的特性，能增強傷口的愈合，對于心血管疾病的治療策略有待進一步研發。但值得注意的是，雖然目前的研究表明層狀氫氧化鋱是可以逐漸降解的，但單獨的鋱（III）離子暴露在消化道中，具有一定細胞毒性。鋱（III）離子在體內靶器官為肝、肺和脾。對其在藥物載體的應用方面需要進行更詳細的安全性評估。此外，雖然研究多集中在LRHs的陰離子交換方面，但是其還能將中性絡合物原位插入LRHs 結構中，再將鋱離子配合物接枝在剝落的納米薄片上，如構建高靈敏度、實時的光學溫度傳感器［8］，揭示了鋱離子復合物在光學傳感方面的更加廣闊的發展前途。在生物成像方面，在熒光染料選擇上，相比于傳統的有機熒光染料，有機鑭系元素材料不僅光穩定性高，水溶性良好，還具有在納秒范圍內的短壽命激發態的特點。這種經修飾后的復合物具有高三光子截面和低細胞毒性，在體外活細胞成像中顯示出多光子誘導的f-f 發射，可多重成像。這對于細胞的多重成像和多光子顯微鏡探針的制備具有一定的指導意義。

在癌癥治療及診斷方面，由于DNA 作為大多數抗癌治療的靶分子，包含鋱（III）離子在內的鑭系配合物與DNA 的結合，其作為抗腫瘤藥物的潛在試劑，對于腫瘤細胞的選擇性，其療效、以及是否有副作用，是開發新型藥物分子的基礎，對于靶向抗癌藥物的開發具有十分重要的研究意義，同時對于在生物體治療疾病的本質也有著深遠意義。