【Adv.Funct.Mater.】首例手性硫锁MR-TADF纳米荧光探针，FWHM仅21nm精准定位线粒体
文章标题：Indolo‐Fused MR‐TADF Materials and their Application in Organelle‐Targeted Bioimaging
通讯作者：Zachary M. Hudson
文章概要
传统多共振热活化延迟荧光材料在向红光区调节发射时，往往面临着发光光谱变宽和发光效率显著降低的双重挑战。来自英属哥伦比亚大学的Zachary M. Hudson教授团队开发了一系列创新的吲哚稠合型多共振热活化延迟荧光材料。该研究通过巧妙调控吲哚单元的稠合位置并引入硫原子锁，成功实现了从蓝色到红色的超宽范围颜色调节。更令人瞩目s的是，研究人员首次将该材料制备成水色分散的玻璃态有机点纳米探针，通过靶向基团修饰，成功实现了对细胞内线粒体的超高特异性靶向成像，为亚细胞级高性能光学成像探测器的开发开辟了全新路径。
Synthetic scheme for mN-QAO, pN-QAO, mN-SQAO, and pN-SQAO.
引言
热活化延迟荧光材料由于能够通过反向系间窜越过程将难以利用的三重态激子完全转化为单重态激子发光，其理论内量子效率可达百分之百，因此在现代光电及生物成像领域引发了广泛的研究热潮。然而，传统的供体-受体扭曲型分子往往表现出较宽的电荷转移发射光谱，导致色纯度极低。为了打破这一瓶颈，多共振热活化延迟荧光材料应运而生。这类材料利用骨架中原子级别的轨道空间分离，产生短程电荷转移激发态，从而有效抑制振动耦合，实现极窄的半峰全宽和极高的荧光量子产率。尽管如此，如何在维持多共振材料窄带发射特征的同时，将其发射波长有效红移至具有深层组织穿透优势的红光甚至近红外区域，一直是该领域的重大科学难题。同时，由于这类分子往往具有较强的疏水性，如何在水相生物环境中保持其延迟荧光特性并实现特异性细胞器靶向，也是亟待攻克的关键应用瓶颈。
The chemical structures of mN-QAO, mN-SQAO, pN-QAO, and pN-SQAO, illustrating the key design features and structure-property relationship.
主要实验及结论
为了系统探究分子结构对发光性能的调控规律，研究团队精心设计并合成了四种新型分子，明确展示了分子设计策略。如图1所示，通过将吲哚单元连接在核心受体骨架的不同位置，并引入硫原子锁进行结构刚性化，得到了间位稠合和对位稠合的两组对照分子。
Single crystal x-ray structures of (a) pN-QAO, (b) mN-SQAO, and (c) pN-SQAO. The top and side views of an individual molecule, along with the side view of the molecular packing, highlighting dihedral angles, and key intermolecular distances (Å). Hydrogen atoms are omitted in the packing diagram for clarity. Color code: gray: carbon, white: hydrogen, blue: nitrogen, red: oxygen, and yellow: sulfur.
为了进一步阐明这些分子的空间构型对性能的影响，研究人员通过单晶X-射线衍射分析获取了其固态下的精确分子构型。如图2所示，对位稠合的无锁分子表现出螺旋状扭曲，而引入硫原子锁的两个衍生分子则由于硫原子的空间限制表现出更趋于平面的几何形状。这种由硫原子带来的结构刚性化不仅有效限制了分子构象的自由度，还通过 bulky 叔丁基的立体位阻有效阻止了分子间的π-π堆积，在固体状态下成功抑制了聚集引起的荧光猝灭。
The calculated excited state energy levels (eV), spin-orbit coupling (SOC) constants, and hole–electron (blue–yellow) distributions (S1 and T1 state) of mN-QAO, pN-QAO, mN-SQAO, and pN-SQAO.
在理论计算层面，研究团队利用密度泛函理论深入分析了前线轨道分布。计算结果表明，发射状态的电荷转移特征在不同构型间差异显著。如图3所示，无锁分子表现出经典的单重态和三重态空间交替电荷分离，表现出纯粹的短程电荷转移特征，从而有利于维持窄带发射。而硫锁分子的激发态则表现出短程与长程电荷转移并存的混合特征，这正是其发射波长显著红移和单-三重态能隙缩小的根源。
Normalized UV/Vis absorption and emission spectra for (a) mN-QAO (λex = 396 nm) and pN-QAO (λex = 418 nm), (b) mN-SQAO (λex = 407 nm), and pN-SQAO (λex = 439 nm) in toluene at room temperature (concentration: 10 µm). Absorption: dashed; emission: solid.
(a) Normalized emission spectra of mN-QAO in solvents of varying polarity, (b) normalized emission and phosphorescence spectra of mN-QAO at 77 K, (c) time resolved PL decay of mN-QAO in toluene under air and inert conditions, (d) emission spectra and (e) time resolved PL decay of 1 wt.% mN-QAO in PMMA under aerated and inert conditions, (f) temperature-dependent time resolved PL decay profiles of 1 wt.% mN-QAO in PMMA.
随后，研究人员全面表征了这些分子在溶液和薄膜状态下的发光行为。如图4所示，在甲苯溶液中，间位稠合的无锁分子展现出波长为455纳米的蓝光发射，而改变连接位置至对位后，分子发射波长大幅红移至516纳米的绿光区。最引人注目的是，这两者均保持了极窄的窄带发射特征，半峰全宽分别仅为24纳米和21纳米。与此同时，引入硫原子锁后的对位衍生分子在掺杂薄膜中展现出596纳米的红光发射。时间分辨荧光光谱进一步证实了所有化合物在掺杂薄膜中均表现出清晰的双指数衰减动力学特征，且延迟荧光寿命随温度升高而变短，强有力地证明了它们高效的热活化延迟荧光特性。
(a) Schematic illustration of the synthesis of g-Odots consisting of a DSPE-PEG2k corona, organelle-targeting TADF emitter, and mCP host. (b) Normalized emission spectra (𝜆exc = 439 nm) and (c) Time-resolved PL decay of g-Odots based on pN-SQAO and Mito-pN-SQAO in water. Confocal fluorescence imaging and colocalization analysis of HeLa cells incubated with (d) pN-SQAO g-Odots for 6 h, followed by 1 h treatment with LysoTracker Blue DND-22 and (e) Mito-pN-SQAO g-Odots for 24 h, followed by 1 h treatment with MitoView 405. Red channel for g-Odots: 𝜆exc = 488 nm. Blue channel for LysoTracker Blue or MitoView 405: 𝜆exc = 405 nm, demonstrating lysosomal, and mitochondrial localization, respectively.
基于红光分子优异的发光性能，研究团队采用双亲性聚合物将其与刚性基质共同包裹，成功构筑了水相稳定的玻璃态有机点纳米颗粒。如图6所示，所得纳米探针在水中展现出高度均匀的粒径分布。细胞实验表明，未修饰的探针进入细胞后会顺应内吞作用特异性聚集在溶酶体中。而当研究人员进一步在分子外侧修饰了具有离域正电荷的季膦盐靶向基团后，纳米探针展现出显著的线粒体靶向能力，在共聚焦显微镜下与线粒体商业染料展现出极高的重合度。
展望
本研究成功开发了一种通过精细调控稠合位点与手性锁调节多共振材料发光行为的通用设计策略。该研究不仅深刻揭示了电荷转移态的微观演变机制，更通过创新的玻璃态纳米包裹技术，首次实现了多共振热活化延迟荧光纳米探针对线粒体的特异性精准靶向成像。这一突破成功将高性能发光材料的工程化应用从传统的光电器件拓宽至尖端生物医学成像领域。未来的研究将聚焦于进一步优化分子结构以实现更深红光乃至近红外二区的发射，并探索其在时间分辨高信噪比细胞成像及体内疾病诊断中的实用价值。