荧光成像技术具有成像速度快、特异性好、灵敏度高、费用低廉、非侵入式、多尺度成像等优点，被广泛应用于生物、医疗等领域。然而，在许多生物成像应用中，几乎涵盖整个紫外-可见光区的大量生物内源性物质产生的自发荧光对生物标志物特异性检测造成了严重的干扰。镧系离子（Ln³⁺）的4f 轨道从4f₀到4f₁₄逐渐填充，这些电子能级赋予Ln³⁺优良的光学性质。然而，Ln³⁺因为弱吸收作用直接发光的效率非常低，限制了它们在光学和成像上的应用。1942年Weissman发现Ln³⁺能与吸收紫外光的有机化合物配位，实现Ln³⁺有效激发，这种现象后来被称作“天线效应”（Antenna effect），天线效应可以明显增强Ln³⁺的发光。由于4f-4f轨道禁阻跃迁效应，Ln³⁺配合物可具有长达微秒-毫秒级的荧光寿命。“天线敏化”稀土探针具有：大的斯托克斯频移，避免了光谱串扰；长寿命发射，允许在不干扰背景荧光的情况下进行时间门控检测；高光稳定性，以及简单地将发射波长从可见光调整为近红外和镧系依赖的类指纹发射带已进行比率分析。目前响应式Ln³⁺发光探针已被设计用于感测细胞中¹O₂，HCO₃^-和pH值变化等小的无机物。然而，用这种探针追踪细胞内酶的活性仍然存在着合成障碍和低渗透性和弱发射的阻碍。

最近中国医学科学院药物研究所胡海宇研究员课题组与德国莱布尼兹药理学研究所Marc Nazaré教授课题组合作，开发了新型硝基还原酶（NTRs）激活型小分子稀土荧光探针，并首次发展了细菌感染时间分辨荧光成像与检测技术，实现细菌代谢酶高测量灵敏度、高空间分辨成像，为鉴别细菌种类、阐明细菌代谢过程、病原菌耐药机制研究、新型抗菌药物研发及个性化治疗提供实用的工具分子和筛选方法。当探针分子被NTR还原后，触发“天线分子”喹啉酮衍生物形成，敏化稀土离子发光，通过时间分辨荧光方法消除背景荧光信号干扰，实现细菌代谢酶NTR高保真实时检测 (图1)，结果发表于Angew. Chem. Int. Ed.。

图1. NTR激活型镧系元素发光探针的设计原理和作用方式。

此研究工作为激活型“天线敏化”小分子稀土探针的设计、合成提供了设计思路和研究方法，进一步可通过调节探针中酶识别基团，将此类喹啉酮-天线敏化稀土探针拓展到对其他代谢酶检测，推动一系列通用型分析传感的应用。

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An Activatable Lanthanide Luminescent Probe for Time-Gated Detection of Nitroreductase in Live Bacteria

Benjamin Brennecke, Qinghua Wang, Qingyang Zhang, Hai‐Yu Hu, Marc Nazaré

Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 8512-8516, DOI: 10.1002/anie.202002391

导师介绍

胡海宇研究员课题组链接

http://imm.ac.cn/cn/teacherinfo.asp?rstid=1872

Marc Nazaré教授课题组链接

https://www.leibniz-fmp.de/nazare