南京工业大学安众福/史慧芳/黄维团队Adv. Mater.:有机室温磷光材料在生物应用中的最新进展
一、摘要
有机室温磷光材料因其优异的三线态激子利用率、大斯托克斯位移以及长寿命发光特性，在有机发光二极管、数据加密、化学传感、生物成像和闪烁体等领域引起了广泛关注。然而，传统的室温磷光系统主要在本体状态下合成，导致其固有的机械脆性和较差的水分散性，阻碍了其集成到复杂的生物环境中。开发能在水相介质中维持高强度三线态发射的高效纳米级有机磷光体仍然是一个艰巨的挑战。本综述全面概述了用于制备磷光纳米粒子的方法，并详细阐述了为优化面向生物医学前沿的室温磷光性能而量身定制的分子设计策略。具体而言，作者重点介绍了这些材料在先进生物成像和光动力癌症治疗中的变革潜力。最后，论文讨论了当前的瓶颈问题，并对未来的发展前景进行了展望，旨在弥合基础分子设计与临床转化之间的差距。
二、研究背景
磷光是一种光致发光现象，涉及电子从三重激发态到基态的辐射跃迁。与来自单重激发态到基态的荧光相比，磷光具有长发光寿命、大斯托克斯位移和高激子利用率等特点。实现磷光的主要条件是高效的系间窜越过程。然而，单重态和三重态激子之间的转换是自旋禁阻的。传统上，通过引入重金属（如铱、铂）来增强自旋-轨道耦合以促进系间窜越过程，但这些材料昂贵且对环境不友好。
纯有机室温磷光材料因其灵活的分子设计、丰富的材料来源、本征柔性和低成本而成为有前景的替代方案。目前，实现纯有机室温磷光主要有两种途径：
增强系间窜越过程：通过引入重原子（Br, I, Se）或杂原子（N, O, S）来增强自旋-轨道耦合。
抑制非辐射跃迁：通过构建刚性环境来稳定三线态激子，例如晶体工程、H-聚集、主客体掺杂和聚合。
自1939年首次报道以来，纯有机室温磷光材料在近十年取得了重大突破。关键进展包括：2010年的结晶诱导磷光、2011年利用卤键实现高效室温磷光、2015年通过H-聚集实现超长有机磷光（寿命达1.35秒）、2019年实现激发依赖的颜色可调超长有机磷光（寿命达2.45秒）、2021年通过离子键限域将超长有机磷光量子效率提升至96.5%，以及近期在高温磷光、持续余辉超过24小时的陷阱诱导长余辉等方面取得了突破。
三、研究方向
随着有机室温磷光或超长有机磷光材料的发展，研究人员正致力于实现其功能化，以拓展在各种应用场景中的可能性。生物电子学是最有前途的方向之一。与传统有机荧光材料相比，有机室温磷光材料的长寿命可以通过设置延迟时间来减少背景荧光的干扰，从而提高信噪比。在体内成像中，室温磷光材料的长寿命特性使其能够长时间维持稳定信号，便于进行长期动态监测。其高激子利用率可以产生更多的活性氧，极大地提高了生物治疗效果。
因此，室温磷光在包括生物成像和治疗在内的生物应用中具有巨大潜力。近年来，针对室温磷光材料在生物领域的研究已开展了许多深入的工作。本综述将系统总结该领域的代表性研究，包括分子设计（单组分体系、主客体掺杂、超分子组装）、纳米制备方法（聚合物封装、纳米杂化）及其在高级生物成像和光动力癌症治疗等前沿领域的转化应用潜力，并讨论当前的瓶颈和未来前景，旨在弥合基础分子设计与临床转化之间的差距。
四、研究进展
1. 增强室温磷光的分子设计策略
1.1. 单组分体系
分子聚集态调控：通过H-聚集等策略，利用强分子间相互作用锁定分子构象、抑制分子振动和转动，从而稳定三线态激子，实现高效超长有机磷光。例如，基于三嗪衍生物的单组分分子晶体，通过强面内分子间相互作用和H-聚集，实现了寿命高达2.45秒的激发依赖颜色可调超长有机磷光。
增强分子间相互作用：在特定分子（如三苯ylene衍生物）中，通过形成稳定的二聚体来增强三线态激子的稳定性。例如，化合物11在非晶态下表现出相对强的磷光，并在可见光（560 nm）激发下产生长达1.5秒以上的亮红色余辉，适合生物成像。
构建给体-受体结构：通过设计给体-受体结构，利用电荷转移效应获得窄的单三线态能级差，从而构建高效的室温磷光分子。例如，以三苯胺为给体、苯并噻二唑为受体的D-A分子，通过末端羧酸引入分子间氢键，在固态下表现出红色室温磷光（发射波长635-660 nm，寿命285-344 ms），并成功用于小鼠皮下组织和淋巴结的高对比度余辉生物成像。
1.2. 主客体掺杂体系
客体发光中心：将磷光客体分子分散到刚性主体基质中，通过主体提供的刚性环境抑制客体分子运动和非辐射衰减，同时可通过主体与客体间的电荷转移形成三线态激基复合物，有效促进系间窜越。例如，通过将RTP主体与磷光客体共掺杂，实现了43%的磷光效率与超长寿命。通过选择高共轭的客体（如芘衍生物）和合适的主体，成功构建了具有长波长发射（681/732 nm）和超长寿命的近红外室温磷光材料。通过主体（如33和34）与客体（19）之间强的π-π分子间相互作用，有效降低了T1能级并稳定三线态激子，显著提升了室温磷光的寿命和产率，并成功用于血管生物成像。
能量转移：通过有机室温磷光发光体与近红外荧光团之间的磷光共振能量转移策略，实现发射波长的进一步红移。例如，将短波长室温磷光分子的磷光发射通过磷光共振能量转移转移至近红外荧光发射体，制备出在780 nm处发射近红外磷光的无金属有机纳米探针，实现了极低背景噪声和深组织穿透的体内成像。
1.3. 超分子组装
2. 室温磷光材料的纳米制备方法
大多数已报道的室温磷光材料为本体材料，难以直接用于生物应用。因此，需要通过聚合物封装和纳米杂化方法将油溶性本体材料制备成纳米尺度，以增强其生物相容性。
2.1. 聚合物封装
自上而下法：将两亲性聚合物和本体磷光体分散在去离子水中，通过超声处理减小粒径，再经过滤膜去除大聚集体，得到纳米尺寸的磷光颗粒。例如，利用此方法成功制备了直径约5 nm、磷光寿命达167 μs的红色室温磷光纳米颗粒。
自下而上法：将磷光体的有机浓缩液注入到两亲性聚合物的水溶液中，通过超声或搅拌使其快速乳化，再经沉淀、过滤，得到单分散、水溶性的有机磷光纳米颗粒。例如，通过有机磷光分子与嵌段聚合物F127的协同作用，制备了在水相中具有余辉特性的磷光纳米颗粒，其磷光寿命为284.59 ms，量子产率为7.6%，成功用于活细胞和斑马鱼成像。
2.2. 纳米杂化
3. 生物应用
3.1. 生物成像
紫外光激发余辉生物成像：采用预激发成像策略，紫外灯激发后关闭光源进行延迟信号检测，有效避免生物组织自发荧光干扰，实现近零背景的高对比度成像。例如，基于主体/客体掺杂体系制备的纳米晶，在体内前哨淋巴结成像中信噪比高达229，在肝癌原位模型中肿瘤与正常肝脏的信噪比达158，且磷光信号持续至少2分钟。通过开发长波长发射材料（如19/34 NPs），实现了高达10 mm的组织穿透深度和145.20的信噪比，并首次成功应用于动脉粥样硬化斑块的磷光成像。通过开发具有超长寿命（49 ms）和超亮发射（量子产率22.9%）的纳米颗粒，在皮下成像中实现了约2278的超高信噪比。
可见光激发生物成像：可见光激发降低了光子能量，显著提高了生物相容性并减少了对活体组织的损伤。例如，开发了在可见光区（250-600 nm）具有宽吸收的室温磷光材料，可通过智能手机闪光灯或自然光安全激发。其制备的纳米颗粒在皮下和淋巴结成像中分别实现了191和169的信噪比。在另一项工作中，采用405 nm可见光激发，获得了可持续10分钟以上的高信噪比余辉图像。
近红外光激发生物成像：近红外光具有低光毒性和深组织穿透能力。例如，具有聚集诱导磷光特性的四苯基吡咯衍生物，具有双光子吸收特性，可在800 nm近红外光激发下用于细胞双光子成像，斯托克斯位移高达232 nm。通过将溴苯基吡啶盐与葫芦脲和环糊精组装，实现了840 nm激发下的三光子成像，成功应用于HeLa细胞成像。
超声波激发生物成像：超声波作为一种更温和的激发方式，具有非侵入性、高时空分辨率和深层组织穿透能力。例如，通过将有机室温磷光分子封装到聚合物纳米颗粒中，实现了超声波激发下的红色/近红外磷光发射，并在活体小鼠中验证了皮下磷光成像的可能性。其最大成像深度可达厘米级，远超传统光激发。
3.2. 光动力治疗
双光子激发光动力治疗：结合室温磷光光敏剂与双光子激发，利用近红外激光的高空间局域性，仅激活焦点处的光敏剂，产生单线态氧，诱导细胞凋亡或坏死。例如，将一种具有高系间窜越效率的光敏剂封装到牛血清白蛋白基质中，制备的纳米颗粒在双光子激发下，能有效产生活性氧，在3D肿瘤球模型和小鼠脑部微血管封闭实验中表现出精准的治疗效果。
X射线激发光动力治疗：X射线能穿透深层组织，激发纳米闪烁体产生可见光，进而激活邻近的光敏剂产生活性氧，克服了传统光动力治疗的穿透深度限制。例如，设计的纯有机磷光纳米闪烁体在X射线照射下产生磷光，直接将辐射能量转化为单线态氧，同时重原子增强放射增敏效应，在0.4 Gy的低剂量X射线照射下成功根除了小鼠乳腺肿瘤。基于氢键有机框架的有机磷光纳米闪烁体被应用于肝细胞癌的X射线激发光动力治疗，实现了高达90.4%的肿瘤抑制率。
3.3. 侧向层析免疫分析
五、总体结论
有机室温磷光材料因其长发光寿命、大斯托克斯位移和高激子利用率，在生物医学应用中展现出巨大潜力。本综述从分子设计、纳米制备和生物应用三个层面系统总结了该领域的最新研究进展。
在分子设计方面，通过单组分体系（如调控分子聚集态、增强分子间相互作用、构建给体-受体结构）和多组分体系（如主客体掺杂、能量转移、超分子组装）的策略，研究人员有效地调控了材料的磷光寿命、量子效率和发射波长。在纳米制备方面，聚合物封装和纳米杂化方法显著改善了室温磷光材料的水溶性和生物相容性，为其生物应用奠定了基础。
在生物成像领域，不同激发策略（紫外、可见、近红外、超声）被开发以优化成像性能。紫外激发利用长寿命余辉有效消除背景荧光；可见光激发更温和，减少组织损伤；近红外激发可实现深层组织多光子成像；超声激发则提供了更深的穿透深度。研究人员还通过红移发射波长和偶联靶向配体实现了精准的术中导航。在生物治疗方面，室温磷光材料的长寿命三线态激子易于与氧气发生能量转移产生单线态氧，从而在光动力治疗和X射线激发动力学治疗中诱导肿瘤细胞凋亡或坏死。
尽管如此，从实验室走向临床仍面临诸多挑战，包括水相中磷光猝灭、激发深度与光毒性、长期生物安全性等问题。未来的发展方向包括开发智能刺激响应型室温磷光材料、设计多模式治疗系统以及利用X射线或超声激发实现更深层组织治疗。总体而言，有机室温磷光纳米材料在生物医学应用中仍具有巨大的研究价值和发展潜力。
六、图文概览
图1、室温磷光材料光致发光机制的简化雅布隆斯基能级图。
图2、近年来室温磷光在生物光电子学领域发展的里程碑。
图3、提高室温磷光性能的各种策略。
图4、单组分体系、主客体掺杂和超分子组装中涉及的部分分子结构。
图5、(a) 分子设计、能级图及可见光激发产生持久室温磷光的迂回展示。(b) 11种晶体在77 K溶液和298 K空气中的延迟发光光谱（上图）；11种晶体在273 K溶液中的延迟发光光谱（下图）。(c) 晶体结构中11二聚体的堆积结构，沿a轴和另一非轴向视图。
图6、(a) 化合物18-22的分子结构示意图。(b) 具有红色室温磷光的可见光激发余辉生物成像示意图。(c) 有机发光体在固态下的磷光光谱。(d) 具有双光子激发特性的23纳米粒子的制备示意图。(e) 523 nm处的磷光寿命衰减曲线（插图示化合物23的能量衰减路径）。
图7、(a) 掺杂体系激发态过程的示意图。(b) 24（晶体态）和25（四氢呋喃溶液中）及25/24（晶体态）的紫外-可见吸收光谱。(c) 34/19和33/19的发光照片。(d) 构建超长近红外室温磷光材料的策略。(e) 主客体材料的磷光光谱。(f) 19的单晶结构。
图8、(a) 磷光共振能量转移的策略示意图。(b) 35、36、F127的化学结构及mTPA-N NPs的制备方法。(c) 35和35/36 NPs的吸收光谱。(d) 35和35/36 NPs（激发波长450 nm）的余辉光谱。(e) 35 NPs的余辉光谱和36在四氢呋喃溶液中的吸收光谱。
图9、(a) 水溶液中CB/HA-BrBP超分子准轮烷聚合物的构建与行为。(b) 37⊂CB[8]和38⊂CB[8]组装体中从红色荧光到绿色磷光发射的光控转换示意图。
图10、室温磷光材料的纳米制备方法。(a) 聚合物封装；(b) 纳米杂化。
图11、(a) 41@PVP NPs的扫描电镜图像。(b) 不同时间间隔拍摄的41@PVP水溶液照片。(c) 42 NPs的透射电镜图像。(d) 去离子水中42 NPs的归一化激发和光致发光光谱。(e) 42 NPs在600 nm发射带的寿命衰减曲线。
图12、(a) 中空介孔二氧化硅纳米粒子的扫描电镜和透射电镜图像。(b) 具有明亮纯有机磷光的二氧化硅纳米粒子的设计。
图13、聚合物封装和纳米杂化中涉及的部分分子结构。
图14、(a) 通过自上而下法制备纳米晶的示意图。(b) M-CH3 (24/25) 纳米晶的尺寸分布。(c) 基于24/25和M-C2H5 (47/48)的纳米晶在关闭光源后的超长磷光的时间依赖性衰减。(d) 原位LM3肝肿瘤小鼠模型。(e) 荷原位LM3肝肿瘤小鼠注射生理盐水或24/25纳米晶7小时后，离体不同器官的时间分辨磷光成像。
图15、(a) 通过自上而下法制备NPs的示意图。(b) 动态光散射法测定的19/34 NPs的水合直径。(c) 19/34 NPs的透射电镜图像。(d) 皮下注射19/33或19/34 NPs后小鼠的余辉成像。(e) (d) 中磷光强度的信噪比。(f) 体外成像磷光强度的信噪比。
图16、(a) 具有超亮和持久余辉的纯有机磷光纳米颗粒的照片。(b) 磷光成像示意图。(c) 磷光NPs在活体小鼠成像中的高信噪比。(d) 通过磷光成像、CT扫描和病理切片原位监测肝肿瘤植入及肺部微环境变化的示意图。
图17、(a) Py-Xan粉末在不同温度下的延迟光致发光光谱和(b) 磷光衰减曲线。(c) Py-Xan@F127 NPs在水中的延迟光致发光光谱。(d) 活体小鼠在移除紫外灯前后的生物成像照片。(e) 小鼠皮下注射Py-Xan NPs后的荧光和磷光成像。(f) 体内皮下注射的荧光和磷光成像信噪比。
图18、(a) 20、21和22 NPs的尺寸分布和透射电镜图像。(b) 阳光激发的皮下注射20 NPs的小鼠余辉生物成像照片。(c) 阳光激发的淋巴结注射20 NPs的小鼠余辉生物成像照片。(d) 11@F127 NPs的尺寸分布。(e) 11@F127 NPs在水中的光致发光强度衰减曲线。(f, g) 活体小鼠在移除手电筒和IVIS仪器在生物发光模式下移除手电筒后的可见光激发余辉体内生物成像照片。
图19、(a) 动态光散射法测定的52-55 NPs的尺寸分布。(b) 覆盖鸡胸肉组织的53 NPs余辉检测示意图。(c) 白光照射后，IVIS系统在生物发光模式下捕获的不同厚度鸡胸肉组织下53 NPs的余辉图像。(d) 体内皮下、淋巴结和肝脏磷光成像示意图及相应图像与强度定量。(e) 新西兰兔淋巴结磷光成像示意图及图像与强度定量。
图20、(a) 53-COOH和53@56 NPs的透射电镜图像和尺寸。(b) 室温下53-COOH和53@56 NPs在PBS中的磷光衰减曲线。(c) 成像工作流程示意图。(d) 体内成像小鼠解剖主要器官的离体成像。(e) 53@56磷光引导手术过程。
图21、(a) 白光和紫外光预照射2分钟后，覆盖不同厚度鸡组织的57/33 NPs的磷光图像。(b) 图(a) 中NPs磷光强度与组织厚度的定量分析。(c) 磷光强度的定量分析与信噪比。(d) 静脉注射57/33 NPs的荷瘤小鼠肝脏磷光成像。(e) 余辉图像引导肿瘤切除术的定量数据。(f) 白光和紫外光激发观察未开腹小鼠盲肠磷光图像的定量数据。
图22、(a) 7在四氢呋喃和水（H₂O）中的光致发光光谱。(b) 不同大小的7 NPs在800 nm激发下的双光子荧光光谱。(c) 7 NPs的扫描电镜图像。(d) 不同孵育时间下HeLa细胞的共聚焦荧光成像。(e) 图(d) 所示图像的磷光寿命成像。(f) 7 NPs在小鼠体内的磷光成像和生物发光成像对比。
图23、(a) NiB的归一化吸收光谱和40/CB[8]/SCD的室温磷光发射光谱。(b) 含有不同浓度NiB的40/CB[8]/SCD水溶液的门控光谱。(c) 39/CB[8]/SCD和40/CB[8]/SCD在510 nm处的磷光寿命衰减曲线。(d) 与39/CB[8]/SCD/NiB共孵育的HeLa细胞在840 nm激发下的三光子显微镜图像。
图24、(a) 具有近红外荧光和磷光发射的三元超分子组装体示意图。(b) 超分子组装体的应用。(c) 注射三元超分子组装体30分钟和6小时后小鼠的体内生物成像。
图25、(a) 在光致发光和力学发光通道中进行体外穿透深度实验的示意图。(b) 通过能量转移实现超声激发红/近红外发射的示意图，以及红/近红外染料的分子结构。(c) 超声激发后使用胶囊装置的磷光成像及体内皮下磷光成像示意图与定量分析。
图26、(a) 23 NPs在PBS缓冲液中的水合尺寸。(b) MCF-7细胞与不同浓度23 NPs孵育后的暗毒性和光毒性。(c) 细胞球体的双光子光动力治疗示意图。(d) 在扫描区域进行双光子光动力治疗后MCF-7细胞球体的3D重建双光子图像。(e) 双光子光动力治疗触发的小鼠脑内选择性血管封闭实验。
图27、(a) 制备的63 NPs的透射电镜图像。(b) 透射电镜获得的NPs尺寸分布。(c) NPs在溶液中的稳态光致发光和时间门控磷光光谱（上图）及NPs在固态下的辐射发光光谱（下图）。(d) 不同治疗后肿瘤切片的苏木精-伊红染色图像。
图28、(a) BPT-HOF@PEG介导的X射线激发光动力治疗机制示意图。(b) 细胞增殖能力和(c) 克隆形成实验检测的不同处理后的存活分数。(d) 静脉注射Cy5.5标记的BPT-HOF@PEG后不同时间点的体内荧光图像。(e) Hepa1-6荷瘤小鼠的治疗方案。(f) 代表性离体肿瘤数码照片及个体肿瘤生长曲线。
图29、(a) 基于超长有机磷光的侧向层析免疫分析试纸条的信号传感机制和放大电路配置。(b) 测试线上磷光强度的时间依赖性。(c) 0至300 ms内测试条上的磷光照片。(d) C反应蛋白检测的标准曲线。(e) 基于超长有机磷光的侧向层析免疫分析用于C反应蛋白检测的特异性测试及免疫层析试纸条示意图。
七、作者信息
作者列表:Yue Feng, Yue Shen, Beishen Wu, Xiaobing Liu, Zhongfu An, Huifang Shi, Wei Huang
通讯作者:Zhongfu An*
State Key Laboratory of Flexible Electronics (LoFE) & Institute of Advanced Materials (IAM), School of Flexible Electronics (Future Technologies), Nanjing Tech University (NanjingTech), Nanjing, China
Email: iamzfan@njtech.edu.cn
Huifang Shi*
State Key Laboratory of Flexible Electronics (LoFE) & Institute of Advanced Materials (IAM), School of Flexible Electronics (Future Technologies), Nanjing Tech University (NanjingTech), Nanjing, China
Email: iamhfshi@njtech.edu.cn
Wei Huang*
State Key Laboratory of Flexible Electronics (LoFE) & Institute of Advanced Materials (IAM), School of Flexible Electronics (Future Technologies), Nanjing Tech University (NanjingTech), Nanjing, China
Frontiers Science Center For Flexible Electronic, Ningbo Institute of Northwestern Polytechnical University, Northwestern Polytechnical University (NPU), Xi'an, China
Email: iamwhuang@nwpu.edu.cn
八、论文链接
论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202409644
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