四苯乙烯類聚集誘導(dǎo)發(fā)光探針在生物分子檢測領(lǐng)域的應(yīng)用

楊學(xué)琴，來守軍，丁媛媛，馬麗麗，王晶鳳，關(guān)曉琳*

（1.西北師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州文理學(xué)院 化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）

1 引言

眾所周知，生物體內(nèi)存在各類離子和分子，它們在生物系統(tǒng)中都有一定的組織性，各自有著特殊的生理功能，其在生物系統(tǒng)中的含量變化可以反映一個(gè)生物體的健康情況，對生物體的生命過程有至關(guān)重要的影響。因此，對這些生物分子的定性和定量檢測與分析顯得尤為重要[1-3]。在眾多的檢測技術(shù)中，熒光檢測方法由于具有靈敏度高、檢測速度快、選擇性好及檢出限低等優(yōu)勢，目前已成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，并在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。其中，熒光生物傳感器是分析目標(biāo)生物分子的有力工具，可以幫助研究人員深入了解復(fù)雜的生物和生理過程[4-5]。但是，目前熒光生物傳感器中常規(guī)使用的熒光材料，例如有機(jī)熒光小分子、無機(jī)半導(dǎo)體量子點(diǎn)、共軛聚合物等，這些材料雖已被證明能夠?qū)㈧`敏度提高到一定水平，但是上述熒光材料往往具有毒性高、穩(wěn)定性差等問題，致使其在生物應(yīng)用中受限。因此，科研工作者需要設(shè)計(jì)開發(fā)低毒性及高穩(wěn)定性的新型熒光探針，以滿足生物應(yīng)用需求。此外，傳統(tǒng)熒光分子僅能在稀溶液中發(fā)出明亮的熒光，但處于聚集狀態(tài)下，其熒光會(huì)發(fā)生明顯減弱甚至猝滅的現(xiàn)象，即產(chǎn)生聚集導(dǎo)致發(fā)光猝滅（Aggregation-caused quench,ACQ）效應(yīng)。因而具有ACQ 發(fā)光性能的熒光材料僅適用于在稀溶液中的檢測，這將嚴(yán)重影響熒光生物傳感器的實(shí)際應(yīng)用效果，并限制其生物應(yīng)用范圍。因此，為熒光生物傳感器尋找和開發(fā)具有抗ACQ 效應(yīng)的新型熒光材料成為亟待解決的問題。幸運(yùn)的是，在2001 年，唐本忠課題組提出了聚集誘導(dǎo)發(fā)光（Aggregation-induced emission，AIE）概念，受到了科學(xué)界的高度關(guān)注[7-9]。與ACQ效應(yīng)相反，具有AIE 效應(yīng)的材料在稀溶液中顯示出微弱的發(fā)射，但在聚集狀態(tài)下熒光急劇增強(qiáng)，熒光量子效率也顯著提高。AIE 現(xiàn)象主要是由于有機(jī)熒光基團(tuán)有序自組裝或無序聚集后，分子內(nèi)運(yùn)動(dòng)受限（RIM）而抑制了非輻射衰變的結(jié)果[10]。顯然，使用具有AIE 效應(yīng)的熒光材料可以很好地解決由ACQ 效應(yīng)導(dǎo)致的熒光材料應(yīng)用受限的問題。除此之外，AIE 熒光探針通常具有較大的斯托克斯位移，并且其激發(fā)光譜和發(fā)射光譜之間幾乎沒有重疊，這將有利于AIE 熒光探針進(jìn)行生物應(yīng)用。因而，AIE 現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)為熒光材料領(lǐng)域提供了一個(gè)嶄新的研究方向。迄今為止，具有AIE 發(fā)光特性的熒光探針因其在實(shí)際應(yīng)用中的諸多優(yōu)勢而備受關(guān)注，尤其是基于AIE 材料在聚集態(tài)下高效發(fā)光，可以在特定的離子或分子的誘導(dǎo)下形成聚集體，熒光信號出現(xiàn)由暗到明的突躍，從而實(shí)現(xiàn)對離子或分子的定性分析和定量檢測，使可視化的生物成像和高靈敏度的傳感監(jiān)測變得更加容易，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了AIE 材料在化學(xué)[11-12]、生物[13-15]、醫(yī)學(xué)[16-17]等各個(gè)方面的快速發(fā)展，并取得了令人矚目的研究成果。

四苯乙烯（TPE）有機(jī)小分子是一種具有AIE發(fā)光特性的典型分子之一。由于TPE 分子中心—C=C—雙鍵周圍連接的四個(gè)苯環(huán)可以圍繞單鍵進(jìn)行自由旋轉(zhuǎn)，從而為激發(fā)電子提供了非輻射弛豫途徑，導(dǎo)致其在稀溶液環(huán)境下無強(qiáng)熒光發(fā)射。但當(dāng)TPE 處于濃溶液或固態(tài)等聚集狀態(tài)時(shí)，由于空間位阻效應(yīng)使得四個(gè)苯環(huán)分子的內(nèi)旋轉(zhuǎn)受到抑制，激發(fā)能無法再通過分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)消耗掉，從而抑制了非輻射弛豫，最終使激發(fā)態(tài)能量以熒光的形式釋放出來。同時(shí)，大量研究已經(jīng)證明，基于TPE的各種衍生物同樣具有優(yōu)異的AIE 發(fā)光特性。因此，研究者易于通過在TPE 分子上進(jìn)行功能化修飾來獲得不同功能性的新型AIE 材料，拓展其在更多領(lǐng)域的應(yīng)用。目前，基于TPE 及其衍生物的研究已引起了科學(xué)家越來越多的關(guān)注[18]，大量TPE 基熒光探針被合成開發(fā)，并已在化學(xué)傳感[2,19-22]、生物傳感[23-24]和有機(jī)發(fā)光二極管[25-26]等領(lǐng)域取得了許多重要的應(yīng)用成果。

本文將根據(jù)TPE 在生物檢測中的被檢測分析物類型進(jìn)行分類，詳細(xì)討論基于TPE 的AIE 傳感器在生物分子檢測方面的一些代表性示例，同時(shí)對基于TPE 的熒光生物傳感器在設(shè)計(jì)和應(yīng)用前景方面進(jìn)行展望。

2 TPE 衍生物分子檢測應(yīng)用

2.1 生物金屬離子檢測

金屬離子廣泛存在于組織細(xì)胞和體液中，適當(dāng)水平的金屬離子可以有效地保持生物過程，但生物體內(nèi)某種金屬離子濃度的異常將引發(fā)生物體的病癥，威脅生物體的健康。因此，對生物必需離子或有毒金屬離子的檢測和定量分析在生物學(xué)研究中極其重要。目前，基于TPE 的分子檢測體系已廣泛用于各種金屬離子傳感器中。

2.1.1 鋅離子檢測

鋅是人體中第二豐富的過渡金屬元素和必需的微量元素，也是大腦中含量最豐富的20 種元素之一，會(huì)影響大腦的健康和認(rèn)知功能[27]。Zn2+含量在生物過程中具有重要的作用，包括信號傳遞、基因表達(dá)[28]、腦功能、細(xì)胞凋亡、神經(jīng)信號傳導(dǎo)[29]等。人體中Zn2+的缺失可能導(dǎo)致多種疾病，例如動(dòng)脈硬化、抑郁癥[30]等。因此，對于生物系統(tǒng)中Zn2+的檢測具有極為重要的意義[31]。其中，細(xì)胞內(nèi)Zn2+的高靈敏度檢測、選擇性檢測以及高效成像不僅有利于重大疾病的早期診斷和預(yù)防，而且可以了解病理過程，從而優(yōu)化治療方法。因此，設(shè)計(jì)開發(fā)一類能夠?qū)ι矬w內(nèi)Zn2+進(jìn)行準(zhǔn)確定量檢測的化學(xué)傳感器，對于理解Zn2+在生理和病理過程中的功能作用至關(guān)重要[32]。近五年，有關(guān)基于TPE 光學(xué)探針對生命體內(nèi)Zn2+進(jìn)行檢測的研究報(bào)道越來越多，尤其是在增強(qiáng)探針的生物相容性及降低Zn2+檢出限方面取得了一些顯著成果。例如，2020年，Xu 課題組[33]基于螯合增強(qiáng)熒光（CHEF）機(jī)制，設(shè)計(jì)合成了一種新型熒光探針1（見圖1（a）），該分子對Zn2+具有較高的選擇性和抗干擾性能，檢出限為0.16 μmol/L。與Zn2+螯合之后，探針1 與Zn2+的配位阻止了激發(fā)態(tài)分子間質(zhì)子轉(zhuǎn)移（ESIPT）過程，增加了所得配合物的整體剛性，產(chǎn)生較強(qiáng)的CHEF 效應(yīng)，導(dǎo)致熒光增強(qiáng)。此外，其還具有較大的Stokes 位移，有效地消除了活細(xì)胞成像的背景干擾。同時(shí)，其具有低細(xì)胞毒性，被成功應(yīng)用于活細(xì)胞中Zn2+的熒光成像（圖1（b））。

圖1 （a）探針分子1 的化學(xué)結(jié)構(gòu)及其與Zn2+作用機(jī)理示意圖；（b）HeLa 細(xì)胞中Zn2+成像應(yīng)用。Fig.1 （a）The chemical structure of probe 1 and their possible mechanism toward Zn2+.（b）The application of Zn2+ imaging in HeLa cells.

另一方面，研究者以鍵合于AIE 分子上的生物分子作為識別單元，通過與Zn2+作用前后熒光變化的策略進(jìn)行離子檢測。其中，基于肽的AIE 熒光探針由于其高靈敏度、高選擇性和良好的生物相容性已成為化學(xué)生物學(xué)研究的熱點(diǎn)。Liu 課題組[34]基于席夫堿反應(yīng)，設(shè)計(jì)并合成了一種基于TPE 多肽衍生物的具有生物相容性的“關(guān)-開”型熒光探針2（圖2（a）），該探針可用于測定Zn2+。由于Zn2+與相鄰兩條肽鏈中的組氨酸殘基發(fā)生配位作用形成配合物，使TPE 分子處于聚集狀態(tài)，限制其自由旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生AIE 效應(yīng)，從而發(fā)射出強(qiáng)熒光。探針2顯示出對Zn2+的高度選擇性和靈敏性，檢測限低至18.56 nmol/L。此外，該探針具有低細(xì)胞毒性和良好的穩(wěn)定性，可以穿透HeLa細(xì)胞并在細(xì)胞內(nèi)實(shí)現(xiàn)對Zn2+的成像（圖2（b）），表明TPE-肽衍生物是一類非常適用于生物系統(tǒng)中的高靈敏熒光生物傳感材料。

圖2 （a）探針分子2 的化學(xué)結(jié)構(gòu)及其與Zn2+作用機(jī)理示意圖；（b）HeLa 細(xì)胞中Zn2+成像應(yīng)用。Fig.2 （a）The chemical structure of probe 2 and their possible mechanism toward Zn2+.（b）The application of Zn2+imaging in HeLa cells.

2.1.2 鋁離子檢測

鋁是僅次于氧和硅的第三大元素，也是地殼中含量最高的金屬，廣泛應(yīng)用于日常生活。然而，當(dāng)人們長期攝入過量的Al3+時(shí)，Al3+在不同器官中會(huì)產(chǎn)生積累，人們很容易患上各種疾病[35-39]。此外，當(dāng)腦組織富含Al3+時(shí)，將對中樞神經(jīng)系統(tǒng)造成嚴(yán)重?fù)p害，并導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)疾病[39-40]。考慮到Al3+對人類健康的潛在影響，開發(fā)一種新型的熒光探針用于對生命體系中Al3+的有效檢測與追蹤至關(guān)重要。自2015 年以來，在唐本忠院士課題組開創(chuàng)性工作的啟發(fā)下，研究者們已經(jīng)合成出多種基于TPE 衍生物的用于Al3+檢測的“關(guān)-開”型熒光探針[41-42]。例如，Yan 等[43]合成了一種具有羧酸基團(tuán)的新型AIE 探針3（圖3），羧基的引入不僅顯著增強(qiáng)了探針的水溶性，而且實(shí)現(xiàn)了對Al3+的特異性絡(luò)合，檢測限低至21.6 nmol/L。同時(shí)，該探針具有良好的生物相容性，被成功應(yīng)用于活HeLa細(xì)胞中Al3+的成像檢測和實(shí)時(shí)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了生物成像的高信噪比。這些優(yōu)越性使得該探針在復(fù)雜生物系統(tǒng)中對Al3+的功能研究和分析具有巨大的潛力。

圖3 探針分子3 的化學(xué)結(jié)構(gòu)、作用機(jī)理及其在HeLa 細(xì)胞中Al3+成像的應(yīng)用。Fig.3 The chemical structure and their possible mechanism of probe 3 and the application of Al3+imaging in HeLa cells

此外，Xu 等[44]也報(bào)道了一種具有AIE 發(fā)光性能的水溶性熒光分子探針4（圖4（a）），用于對Al3+檢測。探針4 顯示出對Al3+的高度選擇性和靈敏性，檢出限為0.70 μmol/L。此外，該探針的酸性形式具有強(qiáng)的細(xì)胞滲透能力，可用于在擬南芥幼苗根部的活細(xì)胞中進(jìn)行Al3+生物成像（圖4（b）），并基于熒光聚集體優(yōu)異的光穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)對細(xì)胞中Al3+的長周期成像。

圖4 （a）探針分子4 的化學(xué)結(jié)構(gòu)及其與Al3+作用機(jī)理示意圖；（b）擬南芥幼苗根部活細(xì)胞中的Al3+熒光成像。Fig.4 （a）The chemical structure of probe 4 and schematic diagram of the mechanism of the probe 4 with Al3+.（b）Fluorescence imaging of Al3+ in seedling root of Arabidopsis.

2.1.3 銅離子檢測

銅是人體必需的微量營養(yǎng)素，由于其氧化還原的性質(zhì)，它作為許多蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)成分在許多生物過程中扮演著重要的角色[45-46]。但在生物體中積累過量的Cu2+會(huì)導(dǎo)致一系列疾病，如引起組織缺血、肝臟病理變化、阿爾茨海默氏癥、威爾遜氏病和普里恩病等[47-48]。因此，開發(fā)更高效、熒光性能更好的熒光探針來檢測Cu2+仍然是非常必要的。目前，一些熒光AIE 生物探針已被開發(fā)用于Cu2+檢測。例如，2021 年，Wang 等[49]設(shè)計(jì)了一種基于TPE 的用于Cu2+檢測的AIE 熒光探針5（圖5（a））。該探針具有兩親性，可分散在水溶液中自組裝形成納米結(jié)構(gòu)，顯示出強(qiáng)烈熒光，當(dāng)加入Cu2+后，熒光被完全猝滅，從而實(shí)現(xiàn)了對Cu2+較高的選擇性和靈敏度，檢出限為6.11 nmol/L。此外，基于良好的生物相容性和強(qiáng)熒光響應(yīng)等性能，其已被成功應(yīng)用于生物體系中Cu2+的檢測（圖5（b））。

圖5 （a）探針分子5 的化學(xué)結(jié)構(gòu)與Cu2+作用機(jī)理示意圖；（b）活MCF-7 細(xì)胞中Cu2+成像應(yīng)用。Fig.5 （a）The chemical structure of probe 5 and schematic diagram of the mechanism of the probe 5 and Cu2+.（b）The application of Cu2+ imaging in living MCF-7 cells.

2.1.4 鐵離子檢測

鐵離子在許多生化過程中都是必不可少的，如形成血紅蛋白、電子轉(zhuǎn)移酶催化和細(xì)胞代謝[50-51]。鐵缺乏和過剩都可能導(dǎo)致一系列的生理問題，檢測活細(xì)胞中鐵離子的濃度并對其進(jìn)行定位是非常重要的。因此，開發(fā)具有選擇性、靈敏性的檢測痕量鐵離子的熒光探針具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。近幾年，研究人員在聚合物探針對于Fe3+的檢測方面也做了很多工作，并取得了一定成果。例如，2022 年，Zhang 等[52]設(shè)計(jì)合成了一種基于絞葫蘆tQ[14]的AIE 超分子網(wǎng)絡(luò)聚合物探針6 用于Fe3+的檢測（圖6（a））。聚合物TPE-4P@tQ[14]探針中AIE 客體分子碘化物TPE-4P 的甲基吡啶部分進(jìn)入了tQ[14]的空腔。由于tQ[14]的RIR 效應(yīng)，TPE-4P@tQ[14]具有優(yōu)異的熒光性質(zhì)，當(dāng)加入Fe3+時(shí)，導(dǎo)致TPE-4P@tQ[14]的熒光減弱，表明該方法能高效快速并選擇性地檢測Fe3+，其檢測限為1.46 μmol/L（圖6（b））。此外，這種聚合物TPE-4P@tQ[14]具有良好生物相容性，已成功地應(yīng)用于活HeLa 細(xì)胞中Fe3+的檢測（圖6（c））。

圖6 （a）探針6 的制備過程；（b）探針6 對不同金屬離子的熒光光譜；（c）活細(xì)胞中Fe3+熒光成像。Fig.6 （a）Preparation process of probe 6.（b）Fluorescence spectra of the probe 6 to different metal ions.（c）Fluorescence imaging of Fe3+ in living cells.

2.1.5 鈣離子檢測

鈣是人體內(nèi)含量最豐富的金屬，是多種生物體的必需礦物質(zhì)，也是健康飲食不可或缺的組成部分。鈣在多種生理過程中起著舉足輕重的作用，其對生命的重要性已眾所周知。例如，Ca2+是骨生長和牙齒發(fā)育的主要組件之一。Ca2+也被認(rèn)為是重要的第二信使，并且許多生物反應(yīng)是通過細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度的變化來介導(dǎo)的。生物體中Ca2+缺乏和過量也可能帶來一些嚴(yán)重后果[53-54]。因此，開發(fā)一種用于監(jiān)測鈣含量的快速和簡單的檢測方法，了解其在生物系統(tǒng)中細(xì)胞水平下的生物學(xué)功能是非常重要的。目前，對于Ca2+檢測的相關(guān)工作已有很多報(bào)道，并且探針對Ca2+具有更高的選擇性和靈敏性；此外，水溶性和生物相容性也增大，已成功將其進(jìn)行生物成像的應(yīng)用。例如，Zhang 等[55]開發(fā)了一種基于TPE 和二硫吡啶羧酸酯基團(tuán)的具有AIE 性質(zhì)的新型水溶性Ca2+熒光探針7（圖7（a））。其中，二硫吡啶羧酸酯基團(tuán)提供了良好的水溶性，可以更好地應(yīng)用于生物體系中。探針7 在純水溶液中可對Ca2+表現(xiàn)出高選擇性，其檢測限為51.2 nmol/L。此外，基于該探針良好的水溶性、低毒性和良好的膜滲透性，已將其成功地應(yīng)用于活細(xì)胞中Ca2+的成像檢測和實(shí)時(shí)監(jiān)測（圖7（c））。

圖7 （a）探針分子7的化學(xué)結(jié)構(gòu)以及與Ca2+作用機(jī)理示意圖；（b）探針7對金屬離子的熒光響應(yīng)；（c）活細(xì)胞中Ca2+熒光成像。Fig.7 （a）The chemical structure of probe 7 and schematic diagram of the mechanism of the probe 7 and Ca2+.（b）Fluorescence response of probe 7 to metal ions.（c）Fluorescence imaging of Ca2+ in living cells.

2021 年，Wang 等[56]用TPE 衍生物共軛2-甲基氨基吡啶成功地合成了一種新的AIE 活性探針8（圖8（a）），可以進(jìn)行Ca2+的檢測。探針顯示出明顯的熒光增敏效應(yīng)，具有高靈敏度、良好的生物相容性和低細(xì)胞毒性，因此被成功應(yīng)用于活細(xì)胞中Ca2+的高效檢測（圖8（b））。

圖8 （a）探針分子8 的化學(xué)結(jié)構(gòu)以及與Ca2+作用機(jī)理示意圖；（b）活細(xì)胞中Ca2+成像應(yīng)用。Fig.8 （a）The chemical structure of probe 8 and schematic diagram of the mechanism of the probe 8 and Ca2+.（b）The application of Ca2+imaging in living cells.

綜上所述，上述基于TPE 的金屬離子熒光探針都具有優(yōu)異的熒光穩(wěn)定性，可以對各種生物體內(nèi)重要金屬離子進(jìn)行高選擇性和靈敏度的檢測，而對其他各種金屬離子具有很強(qiáng)的抗干擾能力。但基于TPE 的探針目前仍存在水溶性和生物相容性較差的缺陷，因而在活體生物方面的應(yīng)用報(bào)道較少。如何通過分子設(shè)計(jì)，提高TPE 熒光探針在水相中的溶解能力，并降低生物毒性，以便使該類材料更高效和廣泛地應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，將是今后的主要研究目標(biāo)和努力方向。

2.2 生物體內(nèi)小分子檢測

有機(jī)小分子包括生物硫醇、硫化氫、二氧化碳和水等，在生命過程中具有相當(dāng)重要的作用，它們的含量變化可以反映生物體的健康情況。目前已報(bào)道了多種用來檢測生物小分子的AIE 傳感器。在本節(jié)中，我們將討論一些基于TPE 的用于檢測生物小分子硫化氫、生物硫醇、三磷酸腺苷、葡萄糖等的熒光傳感器。

2.2.1 硫化氫檢測

硫化氫（H2S）是一種無色且具有臭雞蛋味道的氣體，它是生物體內(nèi)第三重要的內(nèi)源性信號分子，參與各種生理和病理過程，在生物系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。H2S 的重要性已在各種生理過程中得到驗(yàn)證，例如調(diào)節(jié)細(xì)胞生長[57]、心血管保護(hù)[58]、神經(jīng)元傳遞的調(diào)節(jié)[59]、抗氧化作用等。H2S濃度的升高或降低都會(huì)導(dǎo)致許多疾病，例如阿爾茨海默氏病[29]、肥胖癥[60]、糖尿病癥狀[61]。因此，對H2S 含量的檢測及監(jiān)測對于提前預(yù)防某些疾病的發(fā)生具有重要意義。自2016 年以來，已經(jīng)開發(fā)了很多用于H2S 檢測的熒光探針，并取得了許多重要的研究成果。

Jiang 等[62]設(shè)計(jì)了一種能夠特異性檢測H2S 的具有AIE 特性的熒光探針9（圖9（a）），該分子由TPE 和帶正電荷的吲哚部分組成。探針中的吲哚基團(tuán)選擇性親核加成H2S，對H2S 的選擇性優(yōu)于其他生物硫醇以及溶液中的各種陰離子和金屬離子。同時(shí)，該探針可以在粘性溶液中（例如線粒體內(nèi)的介質(zhì)）形成納米級的顆粒聚集體，從而具有很高的熒光。當(dāng)加入H2S 時(shí)，該探針與H2S 之間發(fā)生作用后導(dǎo)致體系聚集程度下降，進(jìn)而引發(fā)熒光猝滅，從而實(shí)現(xiàn)了對H2S 的有效檢測，檢出限為0.57 μmol/L。此外，熒光探針9 同樣在細(xì)胞內(nèi)表現(xiàn)出對H2S 的快速響應(yīng)性能，實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞內(nèi)H2S 的實(shí)時(shí)監(jiān)測。另外，由于線粒體是產(chǎn)生H2S 的重要細(xì)胞器，因此用該探針可對活細(xì)胞線粒體中的H2S 進(jìn)行靶向成像和分析（圖9（b））。

圖9 （a）探針分子9 的化學(xué)結(jié)構(gòu)以及與H2S 作用機(jī)理示意圖；（b）活細(xì)胞線粒體中H2S 成像。Fig.9 （a）The chemical structure of probe 9 and schematic diagram of the mechanism of the probe 9 with H2S.（b）Mitochondria imaging of H2S in living cells.

此外，Zeng 等[14]報(bào)告了一種基于AIE/ESIPT的熒光納米探針10（圖10（a）），用于H2S 的特異性檢測和細(xì)胞成像。該探針顯示出良好的水分散性、大斯托克斯位移、良好的生物相容性以及良好的細(xì)胞膜滲透性，可以實(shí)現(xiàn)對H2S 有效的檢測，檢出限為0.09 μmol/L。在生物成像中，作者發(fā)現(xiàn)該納米探針能夠?qū)崿F(xiàn)活細(xì)胞中H2S 水平的可視化檢測（圖10（b））。同時(shí)，探針10 還可以檢測斑馬魚體內(nèi)的微量H2S（圖10（c））。因此，該納米探針提供了一種用于生物過程中H2S 監(jiān)測的新方法。

圖10 （a）探針分子10 的化學(xué)結(jié)構(gòu)以及與H2S 作用機(jī)理示意圖；（b）活細(xì)胞成像；（c）斑馬魚成像。Fig.10 （a）The chemical structure of probe 10 and schematic diagram of the mechanism of the probe 10 and H2S.（b）Imaging of live cells.（c）Imaging of zebrafish.

2.2.2 生物硫醇檢測

生物硫醇是維持微環(huán)境氧化還原平衡、減少自由基和毒性作用必不可少的還原性物質(zhì)，例如谷胱甘肽（GSH）、N-乙酰基-L-半胱氨酸（NAC）、高半胱氨酸（Hcy）和半胱氨酸（Cys），在人類生理學(xué)中發(fā)揮著不可替代的作用。它們在生物過程中的作用是多種多樣的，并與不同的疾病相關(guān)[25,63-67]。鑒于這些硫醇在人類健康中的關(guān)鍵作用，對這些硫醇的選擇性檢測非常重要。此外，對生命體中的生物硫醇進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和追蹤，是分析相關(guān)疾病的重要手段之一[68]。由于生物硫醇的光學(xué)探針具有高靈敏度、快速響應(yīng)時(shí)間和侵入式實(shí)時(shí)成像等優(yōu)勢，因此開發(fā)各類高效檢測生物硫醇的光學(xué)探針引起了研究者極大的關(guān)注。然而，由于Cys、Hcy、NAC 和GSH 的結(jié)構(gòu)較為相似，因此對于如何高選擇性及定量檢測上述幾種硫醇具有很大挑戰(zhàn)性[69-70]。

據(jù)報(bào)道，通過利用巰基反應(yīng)去除TPE 上的熒光猝滅基團(tuán)成為了一種有效的檢測生物硫醇策略。例如，Wang 等[71]報(bào)道了一種新的基于TPE 的比色和熒光雙信號探針11（圖11（a）），可用于選擇性和定量檢測半胱氨酸（Cys）。由于探針的溶解度較高且易發(fā)生PET 效應(yīng)，從而使其在溶液中不發(fā)射熒光。但當(dāng)加入Cys 后，可以“裸眼”觀察到溶液由無色變?yōu)榱咙S色，同時(shí)熒光也顯著增強(qiáng)。這主要是由于Cys 與探針11 發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，致使探針11 上的硝基苯磺酸基團(tuán)從TPE 分子上解離下來，從而抑制PET 效應(yīng)發(fā)生，導(dǎo)致TPE 熒光發(fā)射。結(jié)果表明，可以基于探針11 的UV/Vis 吸收變化、熒光“關(guān)-開”效應(yīng)，以及溶液顏色的變化高選擇性地對Cys 進(jìn)行定性和定量檢測，其檢出限為0.21 μmol/L（圖11（b））。

圖11 （a）探針分子11 的化學(xué)結(jié)構(gòu)以及反應(yīng)過程；（b）不同物質(zhì)的UV/Vis 光譜和照片。Fig.11 （a）The chemical structure and the reaction progress of probe 11.（b）UV/Vis spectra and picture of different structure.

另外，對生物硫醇檢測的AIE 活性聚合物探針也逐漸被大量報(bào)道，并且在檢出限及其生物應(yīng)用方面有很大的提升。例如，2019 年，Wang 等[72]合成了一種用于生物硫醇檢測的AIE 活性聚合物探針12，該探針含有二硫鍵和TPE 部分的超支化聚（氨基胺），由于TPE 的存在，探針表現(xiàn)出濃度依賴的發(fā)射增強(qiáng)效應(yīng)。當(dāng)加入生物硫醇時(shí)，可裂解二硫鍵，超支化結(jié)構(gòu)解離，在溶液狀態(tài)下表現(xiàn)出很弱的發(fā)射。同時(shí)，不含硫醇基的氨基酸對探針的發(fā)射影響可以忽略不計(jì)，表明其具有良好的選擇性，檢出限為0.55 μmol/L。此外，硫醇可以裂解二硫鍵的優(yōu)勢，使該探針在生物領(lǐng)域的應(yīng)用顯示出很大的潛力。

圖12 （a）、（c）探針分子12 的化學(xué)結(jié)構(gòu)以及反應(yīng)過程；（b）探針12 在生物硫醇或其他氨基酸存在下的對比柱狀圖。Fig.12 （a），（c）The chemical structure and the reaction progress of probe 12.（b）Column comparison of probe 12 in the presence of biothiols or other amino acids.

2.2.3 三磷酸腺苷檢測

三磷酸腺苷（ATP）是生命系統(tǒng)中最重要的能源，ATP 可以調(diào)節(jié)幾乎所有生物體內(nèi)的細(xì)胞代謝和生化途徑。ATP 在細(xì)胞信號傳導(dǎo)過程、維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)、生物合成反應(yīng)、DNA 和RNA 合成等方面起著重要作用。據(jù)報(bào)道，ATP 水平異常會(huì)產(chǎn)生特定心血管疾病、缺血、缺氧、帕金森氏癥和阿爾茨海默氏病等疾病[39,73]。因此，開發(fā)具有易于合成、光學(xué)穩(wěn)定性良好和優(yōu)異的水溶性新型ATP 熒光傳感器具有重要的意義。近十年，研究者在該方面開發(fā)了很多熒光探針，用于對ATP 的選擇性檢測及應(yīng)用。例如，Li 課題組[23]報(bào)道了一種基于TPE 的具有獨(dú)特AIE 行為的熒光探針13（圖13（a）），該探針可以對ATP進(jìn)行高選擇性及高亮度的檢測。由于分子結(jié)構(gòu)中四個(gè)陽離子吡啶鎓側(cè)基的存在，使得探針13在水溶液中具有一定的溶解性，從而顯示微弱的熒光發(fā)射。但在其溶液中加入ATP 后，探針易于通過靜電相互作用和疏水作用沿著ATP 分子聚集，從而使熒光顯著增強(qiáng)。同時(shí)，加入與ATP 結(jié)構(gòu)相似的ADP 和AMP 后，沒有發(fā)生熒光增強(qiáng)作用，證明該方法具有較好的選擇性，其檢出限降至0.075 μmol/L。此外，熒光探針13 還可用于在癌細(xì)胞和正常細(xì)胞系中對ATP 進(jìn)行成像（圖13（b）），表現(xiàn)出在生物系統(tǒng)中對ATP 有效檢測和實(shí)時(shí)監(jiān)測的應(yīng)用潛力。

圖13 （a）探針分子13 的化學(xué)結(jié)構(gòu)及其與ATP 反應(yīng)機(jī)理；（b）探針13 在HEPES 緩沖液中對ATP、ADP、AMP 和PPi 的熒光響應(yīng)；（c）HeLa 細(xì)胞中ATP 成像。Fig.13 （a）The chemical structure of probe 13 and their possible mechanism toward ATP.（b）The fluorescence responses of probe 13 in HEPES buffer toward ATP，ADP，AMP and PPi.（c）Imaging of ATP in HeLa cells.

2.2.4 葡萄糖檢測

葡萄糖（Glu）是研究最廣泛的與人類健康密切相關(guān)的單糖，也是生物過程的重要分子。它不僅為我們的生物過程提供了燃料，而且還與其他蛋白質(zhì)協(xié)同作用，使我們免受疾病侵害。葡萄糖檢測在糖尿病的臨床診斷和治療中非常重要[74-75]。考慮到葡萄糖對人類健康的重要性，因此找到一種檢測人體中葡萄糖濃度的特定方法至關(guān)重要。到目前為止，已經(jīng)報(bào)道了很多具有AIE 發(fā)光特性的有機(jī)分子通過與葡萄糖的相互作用，實(shí)現(xiàn)對葡萄糖的靈敏檢測[76,77]。其中，苯硼酸作為一種糖類親和試劑受到了科學(xué)家高度的關(guān)注，苯硼酸的糖類親和性主要依靠硼酸配體與順二羥基結(jié)構(gòu)之間形成的可逆共價(jià)鍵，發(fā)生有效的電荷轉(zhuǎn)移，進(jìn)而引發(fā)熒光上的變化。基于這種機(jī)理的硼酸系列化合物在很多的糖類分子探針中得到了應(yīng)用[78]。例如，Tang 等[79]報(bào)道了一種使用雙分子硼酸單元進(jìn)行功能化的新型生物熒光探針14（圖14（a））。該探針基于AIE 發(fā)光特性成功地實(shí)現(xiàn)了對水中D-葡萄糖（Glu）的高選擇性檢測。探針14 水溶液的熒光較弱，但當(dāng)加入Glu 后，由于兩個(gè)硼酸基團(tuán)與葡萄糖的順式1，2-二醇單元之間的特異性相互作用，形成聚合體，限制了TPE 上芳基轉(zhuǎn)子的分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)，從而大大提高了體系的熒光發(fā)射，產(chǎn)生熒光增敏效果。同時(shí)，該探針不受其他糖類分析物的干擾，表現(xiàn)出對葡萄糖分子的特異選擇性識別檢測（圖14（b））。作者還通過對尿液樣品中葡萄糖的特異性分析（圖14（c））進(jìn)一步證明所合成的熒光探針具有對實(shí)際樣品中葡萄糖進(jìn)行高效選擇性檢測的應(yīng)用前景。

圖14 （a）探針分子14 的化學(xué)結(jié)構(gòu)及其與Glu 反應(yīng)機(jī)理；（b）探針14 在不同糖中的熒光；（c）人造尿液（紅色圓圈）和碳酸鹽緩沖液（藍(lán)色圓圈）中探針14 的FL 強(qiáng)度（I/I0）隨葡萄糖濃度的變化。Fig.14 （a）The chemical structure of probe 14 and the possible mechanism toward Glu.（b）Fluorescence intensity of probe 14 in different sugars.（c）Changes in the fluorescence intensity（I/I0）of probe 14 with glucose concentration in artificial urine（red circle）and carbonate buffer（blue circle）.

綜上所述，相比于傳統(tǒng)的ACQ 探針，由于各種基于TPE 衍生物的生物小分子熒光探針具有合成簡單、AIE 發(fā)光性能優(yōu)異、選擇性好、細(xì)胞毒性低等優(yōu)勢，可以對活細(xì)胞中的各種生物小分子進(jìn)行選擇性熒光成像和實(shí)時(shí)檢測，因而在生物方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢和巨大的應(yīng)用潛力。

2.3 生物體內(nèi)大分子檢測

生物大分子包括蛋白質(zhì)和多糖等，在自然界中廣泛存在，并在生物活動(dòng)中發(fā)揮重要作用，構(gòu)建一種選擇性好、靈敏度高的探針具有重要意義。在本節(jié)中，我們將介紹一些基于TPE 衍生物的用于檢測β-半乳糖苷酶、半胱天冬酶-3、堿性磷酸酶、肝素、蛋白質(zhì)、DNA 等生物大分子的AIE 熒光傳感器。

2.3.1 β-半乳糖苷酶檢測

β-半乳糖苷酶是一種用作報(bào)告基因的酶，用于檢查轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)染效率，它也是細(xì)胞衰老和原發(fā)性卵巢癌的重要生物標(biāo)志物[80-81]。由于β-半乳糖苷酶在生命體中發(fā)揮著重要作用，因此研究者希望能夠開發(fā)出在生物環(huán)境中高效檢測β-半乳糖苷酶的方法，以便實(shí)時(shí)監(jiān)測其在體內(nèi)和體外的活性。迄今為止，已成功開發(fā)出基于AIE 的用于β-半乳糖苷酶的熒光探針，并用于監(jiān)測活細(xì)胞或組織中β-半乳糖苷酶的酶活性[82]。例如，Wang 課題組[83]報(bào)道了一種基于TPE 的用于檢測β-半乳糖苷酶的AIE 發(fā)光探針15（圖15（a））。由于該探針帶有正電的吡啶鎓側(cè)基，從而使整個(gè)熒光基團(tuán)在水中具有一定的溶解性，導(dǎo)致其在水溶液中僅能發(fā)出微弱熒光。但當(dāng)在溶液中加入β-半乳糖苷酶，其分子上的β-半乳糖吡喃糖苷基團(tuán)將被裂解生成酚鹽中間體，該中間體通過電荷轉(zhuǎn)移消去一分子對甲基苯醌，最后生成分子結(jié)構(gòu)上僅含有吡啶基團(tuán)的非水溶性TPE 衍生物，進(jìn)而發(fā)生明顯分子間聚集，產(chǎn)生AIE 現(xiàn)象，導(dǎo)致發(fā)射強(qiáng)熒光。同時(shí)，探針15 可以高靈敏度和選擇性地檢測β-半乳糖苷酶，其檢測限低至0.33 U/mL。此外，探針15 具有高細(xì)胞滲透性和低細(xì)胞毒性，可以用于在活細(xì)胞中對內(nèi)源性β-半乳糖苷酶活性進(jìn)行熒光成像（圖15（b））。這種策略在癌癥診斷和評估癌癥化學(xué)療法的效率方面具有很大的應(yīng)用潛力。

圖15 （a）探針分子15 的化學(xué)結(jié)構(gòu)及其與β-半乳糖苷酶反應(yīng)機(jī)理；（b）探針15 對各種生物分子或酶的熒光響應(yīng)；（c）HeLa細(xì)胞成像。Fig.15 （a）The chemical structure of probe 15 and the possible mechanism toward β-galactosidase.（b）Fluorescence response of probe 15 to various biomolecules or enzymes.（c）Imaging of HeLa cells.

2.3.2 半胱天冬酶-3 檢測

半胱天冬酶分子是一類在進(jìn)化上非常保守的蛋白酶類分子。半胱天冬酶-3（Caspase-3）分子在凋亡過程中以及炎癥過程中起著重要作用。Caspase-3 活性的異常水平與許多疾病密切相關(guān)，包括神經(jīng)退行性疾病、心血管疾病、敗血癥[84]、自身免疫性疾病[85]和癌癥。對體外和體內(nèi)半胱天冬酶活性的準(zhǔn)確性和即時(shí)評估，在生物醫(yī)學(xué)研究中能提供有價(jià)值的信息。因此，人們對開發(fā)用于檢測和成像Caspase-3 活性的熒光探針產(chǎn)生了極大的興趣[86-87]。近五年，對酶進(jìn)行檢測的熒光探針已有很多報(bào)道，此外，將多肽與AIE 分子結(jié)合制備生物熒光探針用于酶的檢測，成為了檢測酶的另一策略。例如，Ding 課題組[88]基于該原理設(shè)計(jì)合成了一種含有識別單元和肽序列的AIE 探針16（圖16）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，探針16 具有一定的水溶性，因此在水溶液中發(fā)光較弱，但在加入Caspase-3 后，其分子上的羧酸末端發(fā)生酶切割，除去了親水部分，探針TPE-GFFYK 的殘基更有序地自組裝，使TPE 分子有序緊密堆積，從而限制了TPE 分子上苯環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生AIE 效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)熒光信號輸出。與之前報(bào)道的Caspase-3 檢測方法相比，該探針檢測限低至0.54 pmol/L，并且在溶液和癌細(xì)胞中可以感測相應(yīng)的靶標(biāo)的敏感性（圖16），為設(shè)計(jì)高靈敏的熒光分子探針提供了新思路和方法。

圖16 探針分子16 的化學(xué)結(jié)構(gòu)和TPE 的有序自組裝及其HeLa 細(xì)胞成像Fig.16 The chemical structure of probe 16 and ordered self-assembly of TPE and its imaging in HeLa cells

2.3.3 堿性磷酸酶檢測

堿性磷酸酶（ALP）是一種存在于多種組織（肝臟、骨骼等）中的重要酶，能夠催化多種磷酸鹽化合物的水解，并在體外具有廣泛的底物特異性。由于生物體中異常ALP 的水平通常會(huì)產(chǎn)生很多疾病[89-91]，因此該酶廣泛用作酶免疫測定和分子生物學(xué)的生物標(biāo)志物。為了滿足人類健康的迫切需求和精密醫(yī)學(xué)的發(fā)展，開發(fā)一種具有高精確度和靈敏度的方法以快速定位在不同細(xì)胞中ALP 的存在，對其在細(xì)胞水平的應(yīng)用具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。2018 年，Zhao 等[92]設(shè)計(jì)并合成了一種基于TPE 的含有磷酸基團(tuán)的陽離子熒光探針17（圖17（a）），可用于選擇性檢測ALP。由于該探針在水中具有較好的溶解性，致使其水溶液僅具有微弱熒光。但是加入ALP 后，由于探針發(fā)生脫磷酸反應(yīng)，釋放出水溶性較差的水解產(chǎn)物，導(dǎo)致在水溶液中形成聚集體，使其熒光顯著增加，并且在各種分析物中可以選擇性檢測ALP（圖17（b））。通過該方法檢測ALP 的檢出限低至7.7 U/mL。此外，這種特殊的熒光開啟現(xiàn)象使探針能夠以高靈敏度檢測溶液和血清樣品中的ALP。

圖17 （a）探針分子17 的化學(xué)結(jié)構(gòu)及其檢測策略示意圖；（b）與各種蛋白質(zhì)孵育的發(fā)射強(qiáng)度。Fig.17 （a）The chemical structure of probe 17 and schematic illustration of the ALP detecting strategy.（b）The emission intensity of probe 17 incubated with various proteins.

另外，ALP 也被確定為成骨分化的重要標(biāo)志物。在成骨分化過程中，ALP 可以增加無機(jī)磷酸鹽的局部濃度并促進(jìn)細(xì)胞礦化過程，監(jiān)測細(xì)胞的ALP 活性對于成骨分化具有重要意義。因此，迫切需要開發(fā)一種具有更高信噪比和更靈敏的生物探針以進(jìn)行監(jiān)測活干細(xì)胞中的ALP 活性。Zeng等[93]合成了具有不同數(shù)量磷酸基團(tuán)的三種磷酸化TPE 衍生物探針18（圖18（a）），用于對ALP 的檢測。由于磷酸基團(tuán)的存在，分子具有很高的水溶性，從而發(fā)出微弱的熒光。在ALP 存在下，TPEnPA（n=1,2,4）產(chǎn)物被水解而生成水溶性較低的TPE-nOH（n=1,2,4）殘留物。并且殘留物形成大量聚集體，從而導(dǎo)致熒光顯著增強(qiáng)。進(jìn)一步研究表明，在活細(xì)胞中僅有TPE-2PA 在成骨分化過程中顯示出良好的細(xì)胞穿透性和高熒光信號比（圖18（b））。該探針為我們提供了一種篩選活細(xì)胞中ALP 活性以檢測成骨分化的新策略。

圖18 （a）探針分子18 的化學(xué)結(jié)構(gòu)及其與ALP 機(jī)理示意圖；（b）探針18 檢測細(xì)胞ALP 活性圖；（c）商業(yè)方法檢測細(xì)胞ALP活性圖。Fig.18 （a）The chemical structure of probe 18 and their detection mechanism toward ALP.（b）Cellular ALP activity evaluated by probe 18.（c）Cellular ALP activity evaluated by commercial methods.

2.3.4 肝素檢測

肝素（Hep）是帶負(fù)電荷最多的硫酸化多糖，它在調(diào)節(jié)各種生理過程中起著極其重要的作用。許多并發(fā)癥是由Hep 的過量或缺失引起的，例如出血、誘導(dǎo)的血小板減少癥和其他副作用[94-95]。因此，對人體中Hep 含量的監(jiān)測和檢測在醫(yī)療應(yīng)用中具有非常重要的意義。自2016 年以來，已經(jīng)制備出多種用于檢測Hep 的高靈敏性和選擇性的AIE 探針，并取得了很明顯的成果，檢出限降低，同時(shí)成功地進(jìn)行了生物應(yīng)用[96-99]。

例如，Cui 等[100]通過氰基乙烯鍵將吡啶基陽離子連接到TPE 分子上，構(gòu)建了一種新型的帶正電的AIE 型熒光探針19（圖19）。該探針通過靜電相互作用與帶負(fù)電荷的Hep 聚集，導(dǎo)致TPE 分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)受限，產(chǎn)生熒光增敏現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)了對肝素的檢測。同時(shí)，探針19 不受其他結(jié)構(gòu)相似的類似物干擾，對Hep 顯示出快速而靈敏的特異性選擇，檢測限低至4 nmol/L。該探針還被成功應(yīng)用于臨床血清中Hep 的高靈敏性檢測。此外，由于Hep 與魚精蛋白（PRTM）之間的親和力更強(qiáng)，因此TPE-P+-Hep 復(fù)合物可以被PRTM 進(jìn)一步分解，從而有效地檢測PRTM。

圖19 （a）探針分子19 與Hep 檢測機(jī)理；（b）加入Hep 前后的熒光光譜；（c）加入結(jié)構(gòu)類似物熒光變化對應(yīng)的點(diǎn)線圖。Fig.19 （a）The probe 19 and their detection mechanism toward Hep.（b）Fluorescence spectra before and after the adding of Hep.（c）Dot-line graph corresponding to the fluorescence change of the added structural analogs.

2018 年，Li 等[94]合成了一種基于TPE-NH2的熒光探針20（圖20），通過探針20 上所帶的正電荷與Hep 上帶負(fù)電的硫酸鹽之間發(fā)生靜電相互作用，導(dǎo)致體系強(qiáng)烈的熒光增敏，從而實(shí)現(xiàn)對Hep 的定量檢測，檢測限為35.89 ng/mL。更重要的是，探針的低毒性使其成為用于檢測人血清基質(zhì)中肝素的潛在功能傳感器。

圖20 探針分子20 的化學(xué)結(jié)構(gòu)及其與Hep 的檢測機(jī)理Fig.20 The chemical structure of probe 20 and their detection mechanism toward Hep

2.3.5 蛋白質(zhì)檢測

蛋白質(zhì)組研究旨在破譯蛋白質(zhì)水平上的生物過程，而蛋白質(zhì)分析對于蛋白質(zhì)組研究至關(guān)重要。目前，研究者已利用有機(jī)分子與蛋白質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)或物理相互作用而引起的光物理性質(zhì)變化，開發(fā)出許多用于蛋白質(zhì)測定的分子熒光探針。傳統(tǒng)有機(jī)染料分子由于在水性介質(zhì)中或與蛋白質(zhì)大量結(jié)合而發(fā)生聚集，產(chǎn)生ACQ 現(xiàn)象，導(dǎo)致熒光猝滅，從而限制了該類探針的生物應(yīng)用范圍。因此，開發(fā)具有AIE特性的新型熒光探針具有重要意義。近五年，已經(jīng)制備出多種用于蛋白質(zhì)檢測的AIE 活性生物探針，并取得了很好的研究成果。例如，Tang等[101]合成了一種基于TPE的具有AIE特性的熒光探針21（圖21（a）），成功用于蛋白質(zhì)的檢測。由于探針21 是一種水溶性磺酸鹽，在水溶液中幾乎不發(fā)光。但當(dāng)在體系中添加牛血清白蛋白（BSA）后，兩者通過分子間的強(qiáng)靜電產(chǎn)生聚集，導(dǎo)致TPE旋轉(zhuǎn)受限，產(chǎn)生AIE 效應(yīng)，從而發(fā)射出強(qiáng)熒光（圖21（b））。因此，基于熒光探針21優(yōu)異的水溶性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，其有望成為在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域用于蛋白質(zhì)定量檢測的優(yōu)質(zhì)生物熒光探針。

圖21 （a）探針分子21 的化學(xué)結(jié)構(gòu)以及反應(yīng)過程；（b）不同條件下的照片。Fig.21 （a）The chemical structure and the reaction progress of probe 21.（b）The picture of different conditions.

2.3.6 DNA 檢測

由于具有AIE 特性的熒光分子在聚集狀態(tài)下具有優(yōu)于傳統(tǒng)染料分子的發(fā)光性能，因此開發(fā)該類熒光探針具有重要意義。自2015 年以來，研究者已開發(fā)出多種檢測DNA 的AIE 型熒光傳感器。為了提高靜電絡(luò)合熒光開啟/點(diǎn)亮檢測DNA 的選擇性和靈敏度，氧化石墨烯（GO）被智能地引入到檢測系統(tǒng)中。例如，Luo 等[102]設(shè)計(jì)了一種基于氧化石墨烯（GO）和TPE 基團(tuán)的具有AIE 性質(zhì)的熒光探針22（圖22（e）），實(shí)現(xiàn)了對DNA 的快速選擇性檢測。

圖22 （a）當(dāng)AIEgen 連接到ssDNA 時(shí)，熒光開啟；（b）GO 加入熒光系統(tǒng)后熒光關(guān)閉；（c）GO 存在下comDNA 與ssDNA 雜交時(shí)，熒光再次開啟；（d）各種AIE 摻雜系統(tǒng)的發(fā)射光譜；（e）探針22 的化學(xué)結(jié)構(gòu)。Fig.22 （a）The fluorescence is turn-on when the probe 22 is attached to ssDNA.（b）The fluorescence is turn-off after GO is added to the fluorescent system.（c）The fluorescence is turn-on again when the hybridization of comDNA with ssDNA in the presence of GO.（d）The emission spectra of various AIE doped system.（e）The chemical structure of probe 22.

探針22 是通過先在TPE 分子中鍵合三乙銨鹽，然后再與氧化石墨烯通過靜電作用結(jié)合制備得到的。由于季銨鹽的存在，DNA 結(jié)合分子1，1，2，2-四[4-（2-三乙基氨乙氧基）苯基]四溴乙烯（TTAPE）具有很好的水溶性，致使其激發(fā)態(tài)的能量易于通過TPE 苯環(huán)的旋轉(zhuǎn)而衰減，因此探針22的熒光很弱。當(dāng)將單鏈DNA（ssDNA）添加到溶液中時(shí)，探針分子中的季四烷基銨部分的正電荷通過靜電相互作用與帶負(fù)電荷的DNA 序列的磷酸骨架結(jié)合，使得TPE 芳環(huán)旋轉(zhuǎn)受到限制，非輻射路徑被阻塞，導(dǎo)致激發(fā)態(tài)能量通過輻射通道衰減，使得熒光強(qiáng)度顯著增加（圖22（a））。此外，當(dāng)將GO添加到AIE-ssDNA 溶液中時(shí)，由于ssDNA 對GO的高親和力，使得TPE 分子運(yùn)動(dòng)空間增大，易于通過其上苯環(huán)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)耗散激發(fā)態(tài)能量，導(dǎo)致熒光猝滅（圖22（b））。但當(dāng)引入互補(bǔ)脫氧核糖核酸（comDNA）時(shí)，ssDNA 與comDNA 相互作用，形成新的AIE-雙鏈DNA（dsDNA）體系，從GO 上分離，從而激活TPE 的AIE 發(fā)光特性，熒光再次被點(diǎn)亮（圖22（c））。此外，還顯示出了ssDNA 和dsDNA系統(tǒng)的熒光強(qiáng)度的變化（圖22（d）），這與DNA 感測平臺的響應(yīng)過程非常吻合。

此外，Zhang 等[103]通過將兩個(gè)單鏈寡核苷酸連接到一個(gè)TPE 基團(tuán)，開發(fā)了一種用于DNA 檢測的雙臂AIE 探針23（圖23）。該探針在水介質(zhì)中顯示的熒光較弱，當(dāng)與它們的互補(bǔ)鏈雜交時(shí)，熒光信號顯著增強(qiáng)。此外，AIE-寡核苷酸偶聯(lián)探針對DNA 的同源序列特異性檢測具有良好的前景，能夠區(qū)分多達(dá)一個(gè)堿基的突變。當(dāng)兩個(gè)探針相互雜交時(shí)，由于雜交后形成的雙螺旋結(jié)構(gòu)限制了TPE中苯基結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，從而開啟其熒光，它在完美目標(biāo)鏈的存在下能夠顯示出6.1 倍亮的熒光。因此，可以有效地檢測其互補(bǔ)鏈，其檢出限為120 nmol/L。

圖23 （a）探針23 的合成路線及其在核酸檢測中的應(yīng)用示意圖；（b）TPE-2DNA1 和DNA2、DNAM1、DNAM2、DNAM3 存在下的PL 光譜；（c）探針23 在不同DNA 鏈存在下的熒光強(qiáng)度。Fig.23 （a）Synthetic route of probe 23 and schematic illustration of its application for nucleic acid detection.（b）PL spectra of TPE-2DNA1 and in the presence of DNA2，DNAM1，DNAM2，DNAM3.（c）Fluorescence intensity of the probe 23 in the presence of different DNA strands.

迄今為止，由于水溶性TPE 衍生物具有合成簡單、AIE 發(fā)光性優(yōu)異、生物相容性好、成本低和檢測靈敏度高等優(yōu)勢，在生物大分子的選擇性檢測領(lǐng)域備受關(guān)注，相關(guān)研究報(bào)道逐年增加。但是，目前所報(bào)道的該類熒光探針僅僅只針對少數(shù)幾種生物大分子具有優(yōu)異的熒光響應(yīng)性能和較為理想的檢出效果，而對更多種類的生物大分子沒有高靈敏度選擇性檢測的能力。因此，如何通過TPE衍生物分子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開發(fā)更多具有對不同種類生物大分子選擇性檢測的AIE 型熒光探針，并揭示其熒光響應(yīng)機(jī)理，從而拓寬其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，將是科學(xué)工作者今后的研究重點(diǎn)和方向。總之，AIE 為生物傳感領(lǐng)域提供了眾多的優(yōu)勢、無限的機(jī)遇和發(fā)展空間。

3 結(jié)論與展望

綜上所述，與常規(guī)的ACQ 探針不同，AIEgens是一類新興的具有獨(dú)特光物理性質(zhì)的熒光分子，在高分散狀態(tài)下不發(fā)光或微弱發(fā)射，而在高濃度或聚集狀態(tài)下顯示強(qiáng)發(fā)光現(xiàn)象。基于AIE 分子的熒光傳感器不僅克服了傳統(tǒng)熒光分子聚集導(dǎo)致熒光猝滅的問題，而且還實(shí)現(xiàn)了對檢測物更加快速、靈敏、特異性的檢測。通過利用這種獨(dú)特的AIE特性，各種AIE 分子已被開發(fā)并廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。自2001 年以來，多個(gè)研究小組將TPE核心作為基礎(chǔ)，通過在外圍進(jìn)行修飾，并與各種生物體內(nèi)的離子和分子相結(jié)合來調(diào)節(jié)光物理和化學(xué)行為，實(shí)現(xiàn)對生物金屬離子、生物小分子及生物大分子的高靈敏選擇性檢測。在本綜述中，我們主要總結(jié)和討論了近年來基于TPE 的AIE 熒光材料在生物檢測方面的一些研究進(jìn)展，從TPE 衍生物的生物傳感器類型、檢測優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用效果等方面進(jìn)行簡述和分析，為科研工作者開發(fā)出更多優(yōu)異的AIE 生物熒光傳感器提供參考。

目前，雖然基于TPE 的生物傳感器已經(jīng)取得了快速的發(fā)展，但仍然存在一些急需解決的問題。例如，大部分非水溶性的TPE 熒光探針目前仍存在生物相容性較差的缺陷，并且發(fā)光波長一般較短，因而在生物方面的應(yīng)用受限。同時(shí)，待檢測的重要生物分子的種類還有許多，進(jìn)一步豐富探針的功能也是人們更加關(guān)注的方向。因此，可以設(shè)計(jì)分子向近紅外、紅外等長波長方向發(fā)展，并提高TPE 熒光探針在水相中的溶解能力，降低生物毒性，以便使該類材料更高效和廣泛地應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，將是今后的主要研究目標(biāo)和努力方向。此外，設(shè)計(jì)在TPE 上鍵合更多功能性基團(tuán)，實(shí)現(xiàn)與特定分析物的選擇性受體位點(diǎn)結(jié)合，開發(fā)出對更多種類生物分子具有高靈敏度并且選擇性檢測的熒光探針，并將其與光學(xué)成像相結(jié)合，用于在生命體中對目標(biāo)物進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測和監(jiān)測。同時(shí)，具有AIE 活性生物大分子的功能和應(yīng)用相關(guān)的研究可以通過結(jié)合功能單體和響應(yīng)性單體來探索結(jié)構(gòu)的多樣性。相信隨著科學(xué)工作者的努力和深入探索，將會(huì)開發(fā)出更多有效檢測生物分子的AIE 型熒光探針，擴(kuò)大其在不同領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，并對人類社會(huì)的發(fā)展起到重要的作用。

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