【背景介紹】

生物醫學研究的進展很大程度上依賴于各種生物分析方法的發展，通過精確地檢測特定的生物分子，并對這些物種在復雜的生物系統中進行監測以探究生物分子在生命體中運行機制。在各種方法中，使用響應探針的發光生物測定技術使生物學研究進入了一個新的領域，這種技術可以在亞細胞和/或分子水平上更好地了解活生物體中生物分子的動態。在過去的幾十年里，大量的有機染料熒光探針被成功地發展成為研究生物分子在自然環境中活動的工具。作為熒光有機染料的一種替代性發光材料，一些發光金屬配合物特別是鑭系元素（如Eu（III）和Tb（III））和過渡金屬（如Ru（II）和Ir（III））配合物，由于其獨特的光物理/化學性質，正被廣泛嘗試應用于生物傳感和成像領域中。這些報道的響應型金屬配合物探針可以通過特定的識別反應對特定的分析物做出響應，從而保證了探針對該分析物的高選擇性。更重要的是，金屬配合物探針的長壽命發光可以顯著地消除背景自熒光和光散射的干擾。

利用長壽命發光探針進行時間分辨（時間門控）發光（TGL）生物檢測已廣泛應用于臨床診斷和生物醫學研究。由于能有效地消除背景信號，TGL技術顯著提高了靈敏度和信噪比，從而減少了生物檢測中的假陽性/陰性信號。此外，TGL顯微鏡的快速發展也促進了響應型金屬配合物探針在細胞、亞細胞和分子水平上的動態分析應用。

【成果簡介】

最近，大連理工大學袁景利教授和澳大利亞昆士蘭大學Run Zhang博士綜述了近年來關于時間分辨發光生物傳感和成像的金屬配合物探針的最新研究進展。以“Responsive Metal Complex Probes for Time-Gated Luminescence Biosensing and Imaging”發表于Acc. Chem. Res期刊上。在本文中，作者首先介紹了包括鑭系（銪和鋱）和過渡金屬（釕和銥）配合物等發光金屬配合物的光物理/化學性質。接著介紹了這些長壽命發光的金屬配合物能夠用于檢測某些活性生物分子，如活性氧/氮物種（ROS/RNS）和生物硫醇響應探針方面的應用。最后，作者還進一步概述了開發新一代響應型TGL探針以促進其實際應用的未來方向。最后作者還展望了響應型TGL探針的進一步開發，這將有助于更具挑戰性的生物系統的生物檢測。

【圖文解讀】

1、引言

2、長壽命發光金屬配合物探針

圖一、BHHCT-Eu、BHHBCB-Eu、BPTA-Eu/Tb、PTTA-Eu/Tb、Ru(bpy)₃²⁺、Ru(phen)₃²⁺和Ir(ppy)₂(bpy)⁺的結構示意圖

3、用于TGL生物傳感和成像的稀土配合物探針

3.1、“關-開”型Eu(III)/Tb(III)配合物熒光探針

圖二、響應型Eu(III)/Tb(III)配合物探針用于¹O₂的TGL檢測

（A）ATTA-Eu，PATA-Tb，MTTA-Eu的結構及其與¹O₂的反應；

（B）MTTA-Eu與不同濃度¹O₂反應的時間分辨激發和發射光譜；

（C）不同照射時間下含有TMPyP-MTTA-Eu的HeLa細胞的明場圖和TGL圖像

圖三、探針BMTA-Tb用于過氧化氫的TGL檢測和成像

（A）BMTA-Tb的結構及其與H₂O₂的反應；

（B）低聚糖（0.2g/L）處理5h前后BMTA-Tb染色煙草葉片組織的TGL和穩態發光圖像。

圖四、響應型Eu(III)/Tb(III)配合物探針用于HOCl的TGL檢測

（A）AMTTA-Eu/AMTTA-Tb探針的結構及其與HOCl的反應；

（B，C）AMTTA Eu/AMTTA-Tb探針與不同濃度HOCl反應的TGL光譜（插圖：HOCl的TGL檢測標準曲線）；

（D）HeLa細胞中外源性HOCl的TGL成像。

3.2、比率型Eu(III)/Tb(III)配合物熒光探針

圖五、去核鐵蛋白組裝PTTA-Tb-羅丹明-FRET探針比率檢測一氧化氮

（A）PTTATb@AFt-Rh-NO對NO的發光響應示意圖以及PTTA-Tb和Rh-NO的結構示意圖；

（B）PTTATb@AFt-Rh-NO與不同濃度的NO反應的TGL光譜，得到比率型TGL分析的標準曲線；

（C）HepG2細胞和D. magna中NO的穩態熒光和比率TGL成像。

圖六、基于Eu(III)/Tb(III)雙鑭系混合策略的比率型TGL探針

（A，B）HTTA-Eu/Tb的結構（A）及其在不同pH（B）下的TGL譜；

（C）NSTTA-Eu/Tb和NPTTA-Eu/Tb的結構及其與生物硫醇和H₂S的反應。

圖七、比率型TGL納米探針用于HOCl的檢測和成像

（A）基于配合物PTTA-Tb包埋（核）及BHHBB-Eu修飾（殼）硅膠納米顆粒的HOCl比率型TGL納米探針（RTLNP）的設計；

（B）用于HOCl檢測的RTLNP的TGL光譜；

（C）RAW 264.7細胞（細胞經LPS/INF-γ/PMA和大腸桿菌，抑制劑：4-氨基苯甲酸酰肼）中HOCl生成的比率TGL成像。

3.3、細胞器特異性比率型Eu(III)/Tb(III)配合物熒光探針

圖八、比率型TGL探針TRP-NO用于溶酶體NO的檢測和成像

（A）TRP-NO的結構及其響應NO的反應；

（B）不同濃度NO存在下TRP-NO的TGL光譜和NO檢測的標準曲線；

（C）HepG2細胞內TRP-NO和溶酶體綠的共定位分析；

（D）HepG2細胞NO的穩態熒光和TGL成像。

圖九、基于Eu(III)/Tb(III)雙鑭系混合法的比率型探針ER-NFTTA-Eu/Tb用于內質網中O₂^??的TGL檢測與成像

（A）ER-NFTTA-Eu/Tb的結構及其與O₂^??的反應；

（B）ER-NFTTA-Eu/Tb與O2??反應的TGL光譜；

（C）分別在LPS（10μg/mL）和順鉑（300μM）刺激下HepG2和HK-2細胞O₂^??產生的比率TGL（延遲33μs）成像。

圖十、基于Eu(III)/Tb(III)雙鑭系混合法的的比率型探針Mito-NBTTA-Eu/Tb用于線粒體中CO的TGL檢測與成像

（A）Mito-NBTTA-Eu/Tb的結構及其與CO的反應；

（B）Mito-NBTTA-Eu/Tb與CO反應的TGL光譜；

（C）HeLa細胞和小鼠肝組織中CO的比率TGL成像。

4、用于TGL生物傳感和成像的過渡金屬配合物探針

4.1、響應型Ru(II)配合物探針

圖十一、響應型Ru(II)配合物探針Ru-2用于生物硫醇檢測
（A）Ru-2的結構及其與生物硫醇的反應；

（B，C）探針用于人血清中生物硫醇的穩態發光（B）和TGL（C，100ns延遲）分析。

圖十二、響應型Ru(II)配合物探針Ru-MDB用于H₂S檢測

（A）Ru-MDB的結構及其與H₂S的反應；

（B~D）探針用于人血清中H₂S檢測的穩態發光（B）和TGL（C）光譜和標準曲線（D）；

（E）用TGL法分析成年斑馬魚器官中H₂S含量。

圖十三、響應型Ru(II)配合物探針Ru-FA用于甲醛檢測

（A）Ru-FA的結構及其與甲醛的反應；

（B~D）探針用于人血清中甲醛檢測的穩態發光（B）和TGL（C）光譜和標準曲線（D）；

（E）用TGL法分析小鼠器官中甲醛含量。

4.2、響應型Ir(III)配合物探針

圖十四、響應型Ir(III)配合物探針[Ir(ppy)₂(NTY-bpy)]⁺用于Cys檢測

（A）[Ir(ppy)₂(NTY-bpy)]⁺的結構及其與Cys的反應；

（B~D）探針用于測定Cys的TGL譜（B）和標準曲線（C）及人血清中Cys的測定（D）；

（E）探針和溶酶體綠共染色MCF-7細胞的穩態成像與TGL成像。

5、總結

【小結】

綜上所述，作者總結了近些年用于TGL生物傳感和成像的金屬配合物探針方面的工作。這些研究主要集中在利用長壽命發光的鑭系元素（Eu（III）/Tb（III））和過渡金屬（Ru（II）/Ir（III））配合物來開發主要用于檢測ROS/RNS和抗氧化劑（生物硫醇）的響應型TGL探針。作者認為，盡管目前人們在開發和應用TGL生物檢測響應型探針方面取得了很好的進展，但仍需進一步努力以推動這項技術在未來的生物醫學應用中的發展。而對于下一代響應型TGL探針的開發，作者認為需要考慮的關鍵標準是可逆性、較高的生物相容性以及使用低能量光子激發的能力，例如用于深層組織檢測成像的多光子激發（700?1000 nm）體系。同時，作者認為對于已開發探針的生物醫學應用而言，將這些探針轉化為實用工具是另一個需要通過與生物學家、醫學從業人員、臨床醫生和工業界的密切合作來應對的挑戰。此外，考慮到響應型TGL探針技術的獨特優勢，作者預計響應型TGL探針的進一步開發將有助于在更具挑戰性的生物系統（例如比動物具有更高背景自體熒光的植物體）中進行生物檢測。

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文獻鏈接：Responsive Metal Complex Probes for Time-Gated Luminescence Biosensing and Imaging（Acc. Chem. Res. 2020, DOI:https://dx.doi.org/10.1021/acs.accounts.0c00172）

本文由我亦是行人編譯。

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