Fluolab【JACS】荧光产率与单线态氧双增：碘代氧化荧光素解锁生物成像新功能，产率双双突破40%
通讯作者： Christopher J. Bardeen, Roel Tempelaar, Michael C. Pirrung
文章概要
引言
萤火虫的发光机制一直是科学界关注的热点，其生物发光底物荧光素（Luciferin）在酶促反应下生成的氧化荧光素（Oxyluciferin） 具有极高的荧光量子产率，被广泛应用于生物传感和成像领域。然而，以往的研究大多集中在单线态激发态的辐射跃迁上，对于如何通过系间窜越（ISC） 产生三线态，进而生成活性氧（ROS） 以实现光动力治疗等功能，仍然缺乏系统性的认识。研究团队通过对氧化荧光素进行碘原子取代（重原子效应），试图揭示其光物理过程背后的秘密，并寻求一种既能保持高效荧光成像、又能作为光敏剂产生单线态氧的“双功能”分子。
Scheme 1. Preparation of Iodinated Benzothiazoles
Scheme 2. Preparation of Iodinated Oxyluciferin
主要实验及结论
研究人员成功合成了四种不同碘代位点的二甲基氧化荧光素衍生物，并重点考察了它们在苯酚态（Phenol） 和苯酚阴离子态（Phenolate） 下的光物理行为。实验发现，在苯酚态下，所有衍生物的荧光量子产率都极低，甚至不足1%。超快瞬态吸收光谱证实，这些分子在激发后会迅速发生皮秒级的非辐射弛豫进入暗态。理论计算表明，这归因于苯酚态下激发态电荷高度定域在噻唑环上，导致单线态与三线态之间存在巨大的轨道角动量差异，从而极大地促进了系间窜越，使荧光几乎被完全猝灭。
Figure 1. (a) Absorbance and fluorescence of the protonated oxyluciferins in chloroform, (b) absorbance and fluorescence of the deprotonated oxyluciferins in CAN with0.01 M TMG (tetramethylguanidine) as the deprotonating agent.
Figure 2. Time-dependent fluorescence signal of SOSG upon 532 nm irradiation in the presence of the deprotonated oxyluciferins and the Rose Bengal standard. Note the background signal from SOSG by itself (black) is not distinguishable from that of 9-O– (blue).
Figure 3. Femtosecond transient absorption spectra for (a) 9-OH, and (b) 11-OH in chloroform. (c) fs-TA time traces showing the biexponential kinetics of 9-OH (at 500 and 600 nm), and (d) 11-OH (at 500 and 680 nm).
然而，当分子处于苯酚阴离子态时，情况发生了戏剧性的转折。去质子化过程重塑了分子的电子能级结构，原本的暗态被推高，而亮态能级降低，使得荧光量子产率大幅回升。令人惊喜的是，随着碘原子的引入，分子的荧光量子产率（FLQY）和单线态氧量子产率（SOQY）竟然实现了同步提升。具体而言，双碘代衍生物（11-O⁻）在保持0.42的高荧光产率的同时，其单线态氧产生效率也达到了0.41，这与经典的市售光敏剂玫瑰红（Rose Bengal）相当。这种“鱼和熊掌兼得”的现象源于碘代不仅通过缩小能隙提升了三线态产率，还意外地抑制了另一种竞争性的非辐射衰减通道（可能涉及内转换或质子转移），从而在增强光敏化作用的同时，没有牺牲辐射发光的强度。
Figure 4. Femtosecond transient absorption spectra for (a) 9-O– and (b) 11-O– ACN with 0.01 M TMG for deprotonation. (c) fs-TA measurements time traces showing triexponential kinetics of 9-O– (measured at 500 and 600 nm), and (d) biexponential kinetics of 11-O– (measured at 560 and 640 nm).
- Figure 5. Excited state energy diagrams for 9-OH and 9-O–. Singlet states are shown in blue and triplet states in red. The brightest singlet state is highlighted with a thicker line. Also shown are the attachment densities for select states. Upon deprotonation, the lowest singlet excited state _S_1 changes as a result of excited states shifting up and down in energy. Green dashes track energy shifts for select states.
总结及展望
本研究通过精巧的分子工程设计，打破了传统化学中“荧光与系间窜越互为消长”的固有印象。通过在氧化荧光素骨架上引入重原子并精确控制质子化状态，成功开发出了兼具高亮度成像和高效单线态氧产生能力的新型生色团。这一发现不仅深化了对生物发光分子光物理机制的理论理解，更为未来开发无需外源激发光源、利用生物化学能驱动的**原位光动力治疗（PDT）**和多模态生物医学应用铺平了道路。这种兼具检测和治疗潜力的分子，有望在精准医疗领域大放异彩。