基于柔性配体高核稀土及过渡金属-稀土配合物的构筑、 发光性质及生物成像研究

High-nuclearity 4f and d-4f complexes may show unique luminescence properties and have potential applications in the areas of materials, biology and medicine due to a large number of luminescent centers. Currently，the strategy for the synthesis of high-nuclearity complexes is to use some simple ligands such as acid and heteroaromatic compounds, and most of studies have been focused on their magnetic properties. So, it is very necessary to explore more types of high-nuclearity 4f and d-4f complexes and study their luminescence properties. Our early work indicates that flexible long-chain ligands can adjust their coordination formations with metal ions to construct high-nuclearity complexes effectively. In this proposal, a series of flexible single-, double- and triple-chain-like ligands have been designed to construct high-nuclearity 4f and d-4f complexes with good emissions excited by one- and two-photon through self-assembly processes. The Influence of ligand structures, ion species and reaction condition to the self-assembly process will be discussed. The relationship between the structures and luminescence properties of these complexes will be studied. Meanwhile, with designed bioactive groups, such as thiol, isothiocyanate, amino and so on, and selected metal ions, these high-nuclearity complexes may show good water-solubility, membrane penetrability and low toxicity to cells. They will be used as fluorescence probes in the study of bio-imaging. The method to construct high-nuclearity 4f and d-4f complexes with high stability, strong luminescence and good biological activity will be established. This research has great theoretical and practical significance in the development of lanthanide complex materials for their function and application in practice.

高核4f及d-4f配合物因其众多发光中心可表现出独特发光性能，在材料、生物及医学等领域具有潜在应用前景。目前主要通过一些简单羧酸及杂芳环配体进行制备，并集中在磁性方面的研究。更多类型的高核配合物及其发光性能有待开发和探索。我们前期研究发现，柔性长链配体能通过配位模式的调整，有效构筑高核配合物。本项目进一步设计系列多齿单链、双链及三链型柔性配体，自组装构筑类型多样，发光性能良好的高核4f及d-4f配合物。探讨配体结构、离子类型及反应条件等对自组装过程的影响，研究其结构与发光性质的关系。同时，通过对配体生物活性基团（如硫醇基、异硫氰酸酯基及氨基等）及金属离子类型的设计，使高核配合物具有良好的水溶性、膜穿透性及对细胞的低毒性，研究其作为荧光标记物在生物成像方面的应用。建立一套有效构筑稳定性高、荧光强及生物活性好的高核配合物的方法。本项目对拓展稀土配合物材料及其功能与应用具有重要的理论和实际意义。

高核4f及d-4f配合物不仅可以表现出有趣的分子结构及纳米级分子尺度，而且具有独特的物理、化学性能，在新材料领域具有潜在应用前景。我们通过取代、还原、缩合等有机反应，合成了20多个柔性配体，它们具有多个N、O配位中心，具有良好的与金属离子配位能力。同时，由于它们柔性结构可以自由反转、弯曲，在金属配合物结构中可表现出丰富的配位构型。通过这些合成的配体与不同金属盐反应，构筑了多种系列具有良好发光性能的高核4f及d-4配合物。晶体结构研究表明，它们可以表现出一些具有纳米尺寸的块状、环状及笼状等结构。对这些高核金属配合物进行了包括元素分析、红外光谱、热稳定性、透射电镜等方面的表征，探讨了其自组装机理。同时开展了它们对金属阳离子、酸根阴离子及一些小分子化合物（如硝基爆炸物、抗生素及炭疽生物标志物等）的荧光感应研究，并开展了它们在生物应用方面的研究工作。结果表明这些具有良好发光性能的高核4f及d-4f配合物可以作为荧光探针，对一些特定分析物进行感应与检测。其中合成的系列42核纳米环稀土配合物[Ln42L14(OH)28(OAc)84]的分子外径达3.6 nm，它们是迄今报道的含金属数目第二多的纯稀土纳米环配合物。当稀土离子为Nd（III）时，该纳米环配合物显示出对金属阳离子和硝基爆炸物的稀土近红外发光感应，尤其对Cd2+、Ni2+离子和爆炸物2-NP具有特异荧光识别作用。同时，构筑了系列18核稀土纳米环配合物[Ln18(L1)8(HL2)2(OAc)20]。当稀土离子为Yb（III）时，该纳米环配合物对炭疽生物标志物DPA表现出比率荧光感应现象，对DPA的检测极限达到1.5μM，小于通常的炭疽孢子的感染剂量（60μM），且该比例荧光感应的特性不受外界干扰物质（如芳香羧酸盐和离子）的影响，这是首次高核稀土纳米环配合物用于对DPA进行比率荧光检测的报道。在生物应用方面，通过在笼状结构配合物中引入桥联单元，得到了发光性能更好的32核纳米笼配合物[Tb8Cd24L12(1,4-BDC)4(OAc)38(OH)2]，它在生物体系内表现良好的稳定性，能有效被肿瘤SGC和PANC细胞吞噬，并在细胞体内表现出稀土Tb（III）的绿色发光，这是首次将高核d-4f配合物应用于生物体系的研究报道。本项目研究成果为实现高核4f及d-4f配合物在发光材料、荧光检测及生物医学等领域的实际应用提供理论基础。