【背景介绍】

生物医学研究的进展很大程度上依赖于各种生物分析方法的发展，通过精确地检测特定的生物分子，并对这些物种在复杂的生物系统中进行监测以探究生物分子在生命体中运行机制。在各种方法中，使用响应探针的发光生物测定技术使生物学研究进入了一个新的领域，这种技术可以在亚细胞和/或分子水平上更好地了解活生物体中生物分子的动态。在过去的几十年里，大量的有机染料荧光探针被成功地发展成为研究生物分子在自然环境中活动的工具。作为荧光有机染料的一种替代性发光材料，一些发光金属配合物特别是镧系元素（如Eu（III）和Tb（III））和过渡金属（如Ru（II）和Ir（III））配合物，由于其独特的光物理/化学性质，正被广泛尝试应用于生物传感和成像领域中。这些报道的响应型金属配合物探针可以通过特定的识别反应对特定的分析物做出响应，从而保证了探针对该分析物的高选择性。更重要的是，金属配合物探针的长寿命发光可以显著地消除背景自荧光和光散射的干扰。

利用长寿命发光探针进行时间分辨（时间门控）发光（TGL）生物检测已广泛应用于临床诊断和生物医学研究。由于能有效地消除背景信号，TGL技术显著提高了灵敏度和信噪比，从而减少了生物检测中的假阳性/阴性信号。此外，TGL显微镜的快速发展也促进了响应型金属配合物探针在细胞、亚细胞和分子水平上的动态分析应用。

【成果简介】

最近，大连理工大学袁景利教授和澳大利亚昆士兰大学Run Zhang博士综述了近年来关于时间分辨发光生物传感和成像的金属配合物探针的最新研究进展。以“Responsive Metal Complex Probes for Time-Gated Luminescence Biosensing and Imaging”发表于Acc. Chem. Res期刊上。在本文中，作者首先介绍了包括镧系（铕和铽）和过渡金属（钌和铱）配合物等发光金属配合物的光物理/化学性质。接着介绍了这些长寿命发光的金属配合物能够用于检测某些活性生物分子，如活性氧/氮物种（ROS/RNS）和生物硫醇响应探针方面的应用。最后，作者还进一步概述了开发新一代响应型TGL探针以促进其实际应用的未来方向。最后作者还展望了响应型TGL探针的进一步开发，这将有助于更具挑战性的生物系统的生物检测。

【图文解读】

1、引言

2、长寿命发光金属配合物探针

图一、BHHCT-Eu、BHHBCB-Eu、BPTA-Eu/Tb、PTTA-Eu/Tb、Ru(bpy)₃²⁺、Ru(phen)₃²⁺和Ir(ppy)₂(bpy)⁺的结构示意图

3、用于TGL生物传感和成像的稀土配合物探针

3.1、“关-开”型Eu(III)/Tb(III)配合物荧光探针

图二、响应型Eu(III)/Tb(III)配合物探针用于¹O₂的TGL检测

（A）ATTA-Eu，PATA-Tb，MTTA-Eu的结构及其与¹O₂的反应；

（B）MTTA-Eu与不同浓度¹O₂反应的时间分辨激发和发射光谱；

（C）不同照射时间下含有TMPyP-MTTA-Eu的HeLa细胞的明场图和TGL图像

图三、探针BMTA-Tb用于过氧化氢的TGL检测和成像

（A）BMTA-Tb的结构及其与H₂O₂的反应；

（B）低聚糖（0.2g/L）处理5h前后BMTA-Tb染色烟草叶片组织的TGL和稳态发光图像。

图四、响应型Eu(III)/Tb(III)配合物探针用于HOCl的TGL检测

（A）AMTTA-Eu/AMTTA-Tb探针的结构及其与HOCl的反应；

（B，C）AMTTA Eu/AMTTA-Tb探针与不同浓度HOCl反应的TGL光谱（插图：HOCl的TGL检测标准曲线）；

（D）HeLa细胞中外源性HOCl的TGL成像。

3.2、比率型Eu(III)/Tb(III)配合物荧光探针

图五、去核铁蛋白组装PTTA-Tb-罗丹明-FRET探针比率检测一氧化氮

（A）PTTATb@AFt-Rh-NO对NO的发光响应示意图以及PTTA-Tb和Rh-NO的结构示意图；

（B）PTTATb@AFt-Rh-NO与不同浓度的NO反应的TGL光谱，得到比率型TGL分析的标准曲线；

（C）HepG2细胞和D. magna中NO的稳态荧光和比率TGL成像。

图六、基于Eu(III)/Tb(III)双镧系混合策略的比率型TGL探针

（A，B）HTTA-Eu/Tb的结构（A）及其在不同pH（B）下的TGL谱；

（C）NSTTA-Eu/Tb和NPTTA-Eu/Tb的结构及其与生物硫醇和H₂S的反应。

图七、比率型TGL纳米探针用于HOCl的检测和成像

（A）基于配合物PTTA-Tb包埋（核）及BHHBB-Eu修饰（壳）硅胶纳米颗粒的HOCl比率型TGL纳米探针（RTLNP）的设计；

（B）用于HOCl检测的RTLNP的TGL光谱；

（C）RAW 264.7细胞（细胞经LPS/INF-γ/PMA和大肠杆菌，抑制剂：4-氨基苯甲酸酰肼）中HOCl生成的比率TGL成像。

3.3、细胞器特异性比率型Eu(III)/Tb(III)配合物荧光探针

图八、比率型TGL探针TRP-NO用于溶酶体NO的检测和成像

（A）TRP-NO的结构及其响应NO的反应；

（B）不同浓度NO存在下TRP-NO的TGL光谱和NO检测的标准曲线；

（C）HepG2细胞内TRP-NO和溶酶体绿的共定位分析；

（D）HepG2细胞NO的稳态荧光和TGL成像。

图九、基于Eu(III)/Tb(III)双镧系混合法的比率型探针ER-NFTTA-Eu/Tb用于内质网中O₂^•−的TGL检测与成像

（A）ER-NFTTA-Eu/Tb的结构及其与O₂^•−的反应；

（B）ER-NFTTA-Eu/Tb与O2•−反应的TGL光谱；

（C）分别在LPS（10μg/mL）和顺铂（300μM）刺激下HepG2和HK-2细胞O₂^•−产生的比率TGL（延迟33μs）成像。

图十、基于Eu(III)/Tb(III)双镧系混合法的的比率型探针Mito-NBTTA-Eu/Tb用于线粒体中CO的TGL检测与成像

（A）Mito-NBTTA-Eu/Tb的结构及其与CO的反应；

（B）Mito-NBTTA-Eu/Tb与CO反应的TGL光谱；

（C）HeLa细胞和小鼠肝组织中CO的比率TGL成像。

4、用于TGL生物传感和成像的过渡金属配合物探针

4.1、响应型Ru(II)配合物探针

图十一、响应型Ru(II)配合物探针Ru-2用于生物硫醇检测
（A）Ru-2的结构及其与生物硫醇的反应；

（B，C）探针用于人血清中生物硫醇的稳态发光（B）和TGL（C，100ns延迟）分析。

图十二、响应型Ru(II)配合物探针Ru-MDB用于H₂S检测

（A）Ru-MDB的结构及其与H₂S的反应；

（B~D）探针用于人血清中H₂S检测的稳态发光（B）和TGL（C）光谱和标准曲线（D）；

（E）用TGL法分析成年斑马鱼器官中H₂S含量。

图十三、响应型Ru(II)配合物探针Ru-FA用于甲醛检测

（A）Ru-FA的结构及其与甲醛的反应；

（B~D）探针用于人血清中甲醛检测的稳态发光（B）和TGL（C）光谱和标准曲线（D）；

（E）用TGL法分析小鼠器官中甲醛含量。

4.2、响应型Ir(III)配合物探针

图十四、响应型Ir(III)配合物探针[Ir(ppy)₂(NTY-bpy)]⁺用于Cys检测

（A）[Ir(ppy)₂(NTY-bpy)]⁺的结构及其与Cys的反应；

（B~D）探针用于测定Cys的TGL谱（B）和标准曲线（C）及人血清中Cys的测定（D）；

（E）探针和溶酶体绿共染色MCF-7细胞的稳态成像与TGL成像。

5、总结

【小结】

综上所述，作者总结了近些年用于TGL生物传感和成像的金属配合物探针方面的工作。这些研究主要集中在利用长寿命发光的镧系元素（Eu（III）/Tb（III））和过渡金属（Ru（II）/Ir（III））配合物来开发主要用于检测ROS/RNS和抗氧化剂（生物硫醇）的响应型TGL探针。作者认为，尽管目前人们在开发和应用TGL生物检测响应型探针方面取得了很好的进展，但仍需进一步努力以推动这项技术在未来的生物医学应用中的发展。而对于下一代响应型TGL探针的开发，作者认为需要考虑的关键标准是可逆性、较高的生物相容性以及使用低能量光子激发的能力，例如用于深层组织检测成像的多光子激发（700−1000 nm）体系。同时，作者认为对于已开发探针的生物医学应用而言，将这些探针转化为实用工具是另一个需要通过与生物学家、医学从业人员、临床医生和工业界的密切合作来应对的挑战。此外，考虑到响应型TGL探针技术的独特优势，作者预计响应型TGL探针的进一步开发将有助于在更具挑战性的生物系统（例如比动物具有更高背景自体荧光的植物体）中进行生物检测。

文献链接：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）

本文由我亦是行人编译。

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