近红外铱配合物磷光探针的设计、制备及其在生物成像中的应用

Phosphorescent transition metal complexes (PTMCs), such as iridium(III) complexes, exhibit many excellent optical properties, including high luminescence efficiency, long emission lifetime, significant Stokes shift and good photostability, all of which are very beneficial for biological applications. Hence, the research of PTMCs as a new-generation of bioprobes has become an international hotspot. Especially, their long emission lifetime is very beneficial for time-resolved luminescence bioimaging, which can effectively eliminate the interference from the external environment (such as background autofluorescence) and significantly improve the signal-to-noise ratio in bioimaging. Current research about phosphorescent bioimaging, however, mainly stays at the cellular level. How to further realize the phosphorescent bioimaging in vivo becomes a key problem which needs to be solved. In this project, we will design and synthesize new phosphorescent iridium(III) complexes exhibiting excellent near-infrared (NIR) emission. Furthermore, the specific receptor for some important analytes will be introduced into the structures of iridium(III) complexes, endowing them with good sensing capability. Considering that the single-wavelength emission intensity can be influenced by many factors, such as probe concentration and excitation power, hence we will focus on the development of wavelength-ratiometric NIR phosphorescent bioprobes. Finally, the applications of these long-lived NIR probes for in vivo bioimaging, especially ratiometric and time-resolved luminescent bioimaging at small-animal level, will be realized. We wish that a series of high-level and innovative research results in the design, synthesis and bioimaging application of phosphorescent probes will be achieved, which will promote the development of the field of long-lived phosphorescent bioprobes.

磷光过渡金属配合物（如铱配合物）具有发光效率高、发光寿命长、斯托克斯位移大、光稳定性好等优点，作为新一代生物成像探针成为国际研究的热点。尤其是长的发光寿命，非常适合应用于时间分辨光学成像，可有效消除生物背景荧光干扰，显著提高成像的信噪比。目前磷光生物成像的研究主要停留在细胞水平。如何将其从细胞拓展到活体水平，成为这一领域亟需解决的问题。在本项目中，我们拟设计、制备新型、具有优异近红外发射的磷光铱配合物，在其分子结构中引入识别基团，使其具有检测功能。考虑到单一波长发射强度受探针浓度、激发功率等因素影响，因此，我们重点发展可比率法检测的近红外磷光生物探针。最终实现这类长寿命探针在活体成像，尤其是活体水平的比率法成像和时间分辨光学成像中的应用。希望通过本项目的实施，从分子设计、材料开发和成像应用等方面做出创新性的研究工作，形成具有自主知识产权的研究成果，推动长寿命磷光生物探针这一新兴领域的发展。

随着生物医学领域的飞速发展，荧光成像技术成为人类认识各种生命现象和生命过程的重要手段。磷光金属配合物（如铱配合物）具有优异的发光性质，尤其是长的发光寿命使其可通过时间分辨光学成像技术消除背景荧光干扰，提高成像的信噪比和灵敏度，因此成为具有良好应用前景的新一代生物探针。尤其是，近红外铱配合物磷光探针具有良好的组织穿透能力，可以将磷光生物成像从细胞拓展到活体水平。在本项目中，我们围绕近红外铱配合物磷光探针的设计、制备及其在生物成像中的应用开展了一系列研究工作：首先，设计合成了对多种目标分析物具有高灵敏性、高选择性的新型近红外磷光铱配合物探针；其次，通过共价键连接、物理吸附等方式，将其引入到聚合物、纳米粒子等平台中，构建具有双发射性质、生物相容性好且功能多样的磷光探针；最后将制备的近红外磷光探针用于时间分辨光学成像，并在细胞、离体组织、活体三个层次上验证了它们在消除背景荧光干扰、提高检测与成像信噪比方面的优势。此外，基于磷光探针可以作为光敏剂的特点，在实现探针检测功能的同时，我们拓展了部分磷光探针在肿瘤光疗方面的应用。通过本项目的实施，无论是从新型近红外铱配合物磷光探针的设计与制备还是从生物医学应用方面，都取得了丰硕的研究成果，具有重要意义。该项目按预期计划执行，经费使用合理。在该项目的支持下，培养博士后、博士和硕士研究生20余名，并取得了一系列研究成果。已在Chemical Reviews、Journal of the American Chemical Society、Chemical Science等期刊发表高质量论文32篇。多篇文章入选ESI高被引论文，或成为期刊热点论文。受Wiley和Springer出版社邀请撰写多部专著章节。受邀在Chemical Reviews发表综述文章，系统总结了长寿命发光探针用于时间分辨生物检测与成像的研究进展。获授权中国发明专利10件。在本项目执行期内，项目负责人荣获国家自然科学奖二等奖（第二完成人，2018年）、江苏省青年科技杰出贡献奖（2020年）和江苏省有突出贡献的中青年专家（2018年），获得国家杰出青年科学基金（2018年）的支持，入选教育部“长江学者奖励计划”青年学者（2017年）和江苏特聘教授（特别资助，2020年）。