染料分子激发态释能调控与功能强化

我国染料生产以大宗纺织染料为主，高新技术染料大都被国外垄断。与大宗染料注重基态性质不同，高新技术染料更依赖染料激发态的性能，如染料对激光反复扫描的耐光稳定性、染料荧光对客体和微环境的选择性响应等。本项目通过染料分子结构的设计，采用分子内电子转移、分子内基团扭曲振动等方法，调控染料分子内激发态的能量释放，从而实现如下三个重要的染料分子功能的强化：①引入电子受体或可转动基团，使染料激发态产生快速的内转换而释放能量，避免光氧化发生，实现染料分子优异的耐光性能；②设计智能染料母体，在激发态时能根据金属离子和质子与其分子内配体结合后产生的化学位区别，来调控电子转移的选择性，解决质子干扰难题，得到与老年神经退化疾病相关的酸性溶酶体内锌离子定量检测的荧光可视化染料；③通过转动基团的设计及其激发态粘性抑制的研究，得到血红细胞内粘度荧光染料探针，为血浆粘度增大和心血管疾病早期预警提供可行性依据。

随着生物、信息等技术的发展，染料在生物医学、信息等诸多领域的展现出重大应用前景。但与传统印染相比，新领域应用要求染料具有新的功能，成为染料科学研究的挑战。. 项目从染料分子激发态释能关键科学问题入手，通过研究染料激发态分子内电子转移释能行为，提出了释能调控新机理，研制了系列新结构染料，获得了肿瘤细胞荧光识别的荧光探针，强化了染料耐光性能，实现了新染料在血液细胞分析和耐紫外喷墨打印中的规模应用。.（1）提出将染料和酶抑制剂组成电子转移折叠结构，构建了多个肿瘤细胞特征酶荧光探针。以肿瘤高尔基体内高表达的COX-2酶抑制剂作为识别基团，研制出COX-2酶荧光染料探针，“点亮了肿瘤细胞高尔基体”，可裸眼区分肿瘤、炎症与正常组织，为临床手术中寻找肿瘤和确定边界提供了简易方案。.（2）发现环境极性可以改变激发态电子转移的方向和强度，由此得到生物微环境极性荧光探针。设计出随微环境极性增加、基团给电子能力降低的染料探针体系，研制出比率识别细胞内极性的荧光探针，观察到癌细胞线粒体极性低于正常细胞特异现象，可望成为肿瘤细胞检测的新判据。.（3）提出激发态寿命的调控新策略：“增强型光诱导电子转移”使之降低、单∕三重态共振使之延长。将增强电子电子转移策略用于构建荧光探针，实现了癌细胞内基底次氯酸的检测和成像；应用于喷墨打印染料设计，猝灭单线态氧，提高了染料的耐光性能；而通过使单线态和三线态共振，可延迟寿命近千倍，为提高光动治疗中单线态氧产率提供了新手段。. 研究成果发表论文83篇（IF>10的11篇），授权国内外发明专利45项（包括国外专利20余项），在国际国内学术会议做邀请报告49次。形成了特色的染料激发态调控的新理论和新方法，荧光识别染料及其应用获2013年国家自然科学二等奖；解决了多个应用性能难题，其中耐候性喷墨打印染料和血液细胞分析染料得到规模化产业应用。