具有不同N^N配體的金屬銥配合物長磷光性質(zhì)

侯雨桐 周治國 楊紅 楊仕平

摘 要： 長磷光成像是指移除激發(fā)光源后的延遲發(fā)光，它無需實時激發(fā)光的照射，相比傳統(tǒng)熒光成像有更高的信噪比.為了研究銥（Ir）配合物的長磷光性質(zhì)，設計了3種C^N配體相同，而N^N配體不同的Ir配合物，在溶液層次研究了它們的長磷光性質(zhì).經(jīng)過比較，將長磷光強度最強的3，8-二溴鄰菲羅啉配合物制備成納米粒子，在小鼠背部皮下進行長磷光成像，與熒光成像對比，呈現(xiàn)出更高的信噪比.

關鍵詞： 銥（Ir）配合物; 長磷光; 活體光學成像

中圖分類號： O 614.82⁺5? 文獻標志碼： A? 文章編號： 1000-5137（2020）02-0143-08

Long phosphorescence properties of iridium complexes with different N^N ligands

HOU Yutong， ZHOU Zhiguo， YANG Hong^*， YANG Shiping^*

（College of Chemistry and Materials Science， Shanghai Normal University， Shanghai 200234， China）

Abstract： Long phosphorescence imaging eliminates the real-time light irradiation and gets a higher signal-to-noise ratio than traditional fluorescence imaging.In order to study the long phosphorescence properties of iridium （Ir） complexes，we designed three kinds of iridium complexes with the same C^N ligands and different N^N ligands were designed.After comparison，the 3，8-dibromophenanthroline iridium complexes showed the strongest phosphorescence intensity and were prepared into water-soluble nanoparticles. Long phosphorescent imaging was performed subcutaneously on the back of mice， which showed a higher signal-to-noise ratio compared with fluorescence imaging.

Key words： iridium（Ir） complexes; long phosphorescence;in vivooptical imaging

0 引 言

由于成像時間短、靈敏度高等特點，光學成像在生物醫(yī)學影像的診斷中已經(jīng)得到了廣泛的應用.然而，成像過程中所需的外界激發(fā)光會引起較強的組織自發(fā)熒光，嚴重限制了活體光學成像的空間分辨率.因此，像生物發(fā)光和切倫科夫發(fā)光這樣不需要實時激發(fā)光的光學成像方式引起了人們的極大關注^[1-2].然而，生物發(fā)光通常需要酶和底物，其信號值常受到體內(nèi)微環(huán)境和底物生物分布的影響^[3];而放射性同位素與發(fā)光材料相結(jié)合的輻射發(fā)光，需要核素的參與，不可避免地會產(chǎn)生一定程度的放射性危害，因此其應用相對復雜且局限^[4].

余輝或持久發(fā)光^[5]是光學成像領域中的又一焦點.因為具有去除光源后持續(xù)發(fā)光的現(xiàn)象，能夠在體內(nèi)實現(xiàn)無激發(fā)的實時零背景成像.從理論上講，余輝材料的發(fā)光既可以來源于能量陷阱中空穴和電子的熱激復合^[6]，也可以來源于常溫下的長壽命激發(fā)態(tài).目前對于余輝發(fā)光材料體內(nèi)應用的報道主要集中于一些含有重金屬離子的無機材料^[7-10]，通常會存在一定的生物毒性問題.

由于高活性的激發(fā)態(tài)，有機發(fā)光材料的發(fā)光壽命通常較短.無機金屬離子，如銥離子（Ir^{3 +}）、鉑離子（Pt²⁺）等配合物可以增強有機分子中單重態(tài)到三重態(tài)的過渡轉(zhuǎn)變，通過產(chǎn)生能量缺陷來延長其發(fā)光時間.近年來，Ir配合物以其優(yōu)異的光物理性質(zhì)，如良好的光穩(wěn)定性、大斯托克斯位移、室溫下較高量子產(chǎn)率與較長的磷光發(fā)射壽命^[11-12]，及其配位結(jié)構(gòu)合成的靈活性與多功能性，被廣泛應用于光學探針，并在生物成像領域得到了越來越多的關注.大量研究表明，配體的結(jié)構(gòu)對Ir配合物的分子前線軌道分布等性質(zhì)影響很大，從而影響Ir配合物的發(fā)光顏色和發(fā)光強度，因此本文作者通過改變Ir配合物的配體結(jié)構(gòu)來拓展其長磷光性質(zhì)，通過比較鄰菲羅啉、具有重原子和吸電子基團的3，8-二溴鄰菲羅啉以及供電子基的噻吩鄰菲羅啉這3種N^N配體不同的Ir配合物，在溶液層次研究了它們的長磷光性質(zhì)，并選用長磷光性質(zhì)最優(yōu)的Ir配合物應用于活體長磷光成像.

1 實 驗

1.1 試劑與儀器

水合三氯化銥、2，2'-聯(lián)吡啶、2-苯基吡啶，百靈威科技有限公司提供;無二醇乙醚、甲醇（MeOH）、乙腈（MeCN），上海泰坦科技股份有限公司;聚醚（F127），薩恩化學科技（上海）有限公司.

紫外-可見吸收光譜（UV-Vis），美國貝克曼庫爾特有限公司;穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)熒光光譜儀FLS980，英國愛丁堡儀器公司;C13534-12 UV-NIR絕對量子效率測量系統(tǒng)，濱松光子學商貿(mào)（中國）有限公司;Nano-zs90馬爾文粒徑和電位儀，上海思百吉儀器系統(tǒng)有限公司;小動物活體光學成像系統(tǒng)/IVIS Spectrum，珀金埃爾默公司.

1.2 Ir配合物的合成與純化

Ir配合物的合成路線如圖1所示^[13-14].

2 結(jié)果與討論

2.1 配合物的光物理性質(zhì)

圖2為Ir配合物1，2，3在MeCN或MeOH溶劑中的紫外-可見吸收光譜以及熒光發(fā)射光譜.從圖2可知，3種Ir配合物的光譜在2種極性接近的溶劑中無明顯差異.由于三者有相同的C^N配體，280～400 nm歸屬于配體C^N自旋¹LC（π-π^*）的單重態(tài)躍遷的吸收峰基本相同;而350～500 nm區(qū)間歸屬于Ir配合物中金屬Ir和配體間的電荷轉(zhuǎn)移態(tài)躍遷（¹MLCT和³MLCT），受N^N配體影響有所不同.常溫下用360 nm激發(fā)，可以觀察到3種Ir配合物分別在590，640，625 nm的磷光發(fā)射峰.

Ir配合物在MeCN和MeOH溶劑中的熒光壽命和量子產(chǎn)率如表1所示.Ir配合物在氮氣（N₂）氣氛下的熒光壽命和量子產(chǎn)率均比在空氣氣氛下高.由于Ir配合物2分子內(nèi)含有重原子溴（Br），增強了系間竄越（ISC），影響了自旋軌道的相互作用，使Ir配合物2的量子產(chǎn)率高于Ir配合物1和Ir配合物3.

Ir配合物長磷光性質(zhì)的測試方法如下：先在生物發(fā)光模式下采集溶液的背景信號，后用紫外燈持續(xù)照射1 min后移除光源，再在生物發(fā)光模式下采集溶液的信號值.為了探究3種Ir配合物的長磷光性質(zhì)，對比相同濃度下3種Ir配合物在紫外燈照射前后的光學信號值.如圖3所示，在移除光源后，溶液中的光學信號較照射前增強.通過定量分析發(fā)現(xiàn)，Ir配合物1溶液在照射前后信號值分別為0.46×10⁵p·s^-1·cm^-2·sr^-1和1.33×10⁵p·s^-1·cm^-2·sr^-1，照射后的值是初始值的2.9倍;Ir配合物3溶液在照射前后信號值分別為0.66×10⁵p·s^-1·cm^-2·sr^-1和2.28×10⁵p·s^-1·cm^-2·sr^-1，照射后的值是初始值的3.5倍;而Ir配合物2溶液由照射前強度0.52×10⁵p·s^-1·cm^-2·sr^-1變?yōu)檎丈浜髲姸?.40×10⁵p·s^-1·cm^-2·sr^-1，為初始值的10.5倍.經(jīng)對比，Ir配合物2經(jīng)照射前后的光學信號強度增強最多.Ir配合物受激發(fā)時，由于Ir配合物2中的重原子Br具有高核電荷易使磷光分子的發(fā)生電子能級交錯，導致磷光分子的自旋軌道耦合作用增強，促使電子在S1高核電態(tài)之間的ISC概率增大，從而有利于增大磷光量子效率，并提高了其磷光效果.

2.3 Ir配合物的長磷光衰減性質(zhì)的研究

為了探究光學信號隨時間變化的長磷光衰減，測試了5 mmol·L^-1的3種Ir配合物在MeOH溶液中經(jīng)紫外燈照射1 min后移除光源，每隔30 s的長磷光信號.如圖4所示，Ir配合物1，2，3溶液的初始信號強度依次為1.34×10⁵，4.38×10⁵，2.75×10⁵p·s^-1·cm^-2·sr^-1，其中Ir配合物2溶液的強度最高.3種Ir配合物的強度隨時間延長逐漸降低，并分別在90，180，120 s時達到穩(wěn)定保持不變.而MeOH溶液初始信號強度為0.25×10⁵p·s^-1·cm^-2·sr^-1，且隨時間延長無顯著變化.

在3種Ir配合物1 mmol·L^-1的MeCN溶液中進行了相同測試.經(jīng)紫外燈照射后，Ir配合物1，2，3溶液的信號值依次為2.16×10⁵，4.45×10⁵和2.77×10⁵p·s^-1·cm^-2·sr^-1，3種Ir配合物溶液信號值隨著時間延長逐漸下降，并分別在90，210，120 s時達到穩(wěn)定.而MeCN溶液信號值為0.28×10⁵p·s^-1·cm^-2·sr^-1，且?guī)缀醪浑S時間延長而改變，無衰減過程.

以上研究證明：3種Ir配合物均具有移除激發(fā)光源后，強度隨時間延長衰減的長磷光性質(zhì).其中Ir配合物2長磷光強度最強，衰減的速度最慢，證明其在能量轉(zhuǎn)移過程中，能量的釋放速度是三者中最緩慢的.特別是在不同濃度的Ir配合物溶液中，其磷光信號值接近，這可能是由于5 mmol·L^-1的Ir配合物物質(zhì)的量濃度過高，存在一定的熒光淬滅，一定程度上抑制了長磷光強度.

2.4 Ir配合物2的長磷光強度與濃度的研究

經(jīng)上述研究發(fā)現(xiàn)：在高濃度下，長磷光強度并不隨濃度增加而增強.因此探究了低濃度Ir配合物溶液與磷光強度的關系.由于Ir配合物2的長磷光強度顯著優(yōu)于Ir配合物1和3，因此以Ir配合物2為研究對象.如圖5所示，0.07，0.10，0.20，0.50，1.00 mmol·L^-15個不同物質(zhì)的量濃度的Ir配合物2在MeCN溶液中用紫外燈照射1 min后，其長磷光強度依次為1.215×10⁵，1.285×10⁵，1.749×10⁵，2.589×10⁵，3.993×10⁵p·s^-1·cm^-2·sr^-1.隨著濃度的增加，其磷光強度也增加.經(jīng)線性擬合后，得出Ir配合物2長磷光強度（y）與物質(zhì)的量濃度（x）的關系為y=2.968 4x+1.057 7（相關系數(shù)R²=0.996），說明在低濃度下，長磷光強度與Ir配合物的物質(zhì)的量濃度呈線性正相關.

2.5 Ir配合物2納米粒子的合成

為了最大限度地擴大其磷光性質(zhì)，并實現(xiàn)Ir配合物的生物應用，根據(jù)之前的報道顯示，H型聚集體能有效穩(wěn)定三重激發(fā)態(tài)并增強在室溫下的長磷光性質(zhì)，因此最大限度地在納米顆粒中形成H-型聚集是產(chǎn)生長時間磷光的關鍵因素.Ir配合物納米粒子是通過表面活性劑聚醚F127與Ir配合物之間的疏水-疏水相互作用合成的^[15].F-127在反應體系中起到重要作用，一方面能夠?qū)r配合物包裹成水溶性納米粒子，另一方面能夠增強Ir配合物的H型聚集.Ir配合物2經(jīng)改性制備成納米粒子后的水合粒徑在160 nm左右，由于包裹了帶正電的Ir配合物，其Zeta電位顯示在17 mV左右，較大的正電荷說明其在溶液中穩(wěn)定性良好.

2.6 Ir配合物2納米粒子的長磷光性質(zhì)研究

為了進一步研究所制備的納米粒子是否具有增強Ir配合物磷光性質(zhì)的作用，對比了Ir配合物2在MeCN溶液中與Ir配合物2納米粒子的長磷光強度，如圖6（a）所示.當Ir配合物2的物質(zhì)的量濃度為0.3 mmol·L^-1時，MeCN溶液與納米粒子的磷光信號值分別為1.97×10⁵p·s^-1·cm^-2·sr^-1和4.91×10⁵p·s^-1·cm^-2·sr^-1，納米粒子的信號值約為MeCN溶液的2.48倍;而在Ir配合物2的物質(zhì)的量的濃度為0.6 mmol·L^-1時，MeCN溶液與納米粒子的磷光信號值分別為2.20×10⁵p·s^-1·cm^-2·sr^-1和5.94×10⁵p·s^-1·cm^-2·sr^-1，納米粒子的信號值約為溶液的2.70倍.在2種質(zhì)量濃度下，Ir配合物2納米粒子都能夠增強溶液的磷光信號強度.這可能是由于在納米粒子中Ir配合物2的聚集狀態(tài)更強，增強了長磷光強度.

同樣，測試了1 mmol·L^-1Ir配合物2納米粒子的長磷光衰減過程，如圖6（b）所示.其初始信號值為4.38×10⁵p·s^-1·cm^-2·sr^-1，在0～300 s內(nèi)持續(xù)衰減，300 s后達到穩(wěn)定在1.5×10⁵～1.4×10⁵p·s^-1·cm^-2·sr^-1.這與之前Ir配合物2在溶液狀態(tài)下的初始強度以及衰減曲線結(jié)果類似，且達到信號衰減不變的時間較其在有機溶劑狀態(tài)下更長，這證明將Ir配合物2制備成納米粒子后，不僅沒有改變其本身的長磷光性質(zhì)，更增強了相同濃度下的Ir配合物磷光信號強度，延長了其持續(xù)發(fā)光的時間.

2.7 Ir配合物2納米粒子在活體長磷光成像中的研究

由于長磷光成像具有無實時激發(fā)的零背景、高成像信噪比的優(yōu)勢，進一步研究了Ir配合物2納米粒子的活體長磷光成像效果.以裸鼠為模型，在背部皮下注射1 mmol·L^-1，50 ?L Ir配合物2納米粒子溶液，用紫外燈在其上方1 cm處照射1 min，移除光源，在生物發(fā)光成像模式下，采集其背部的信號值，同時通過熒光成像采集背部信號強度.長磷光成像與熒光成像的對比圖以及注射納米粒子部位的成像信號強度與腹部肌肉區(qū)域成像信號強度的比值，如圖7所示.

如圖7（a）所示，長磷光成像可以明顯區(qū)分出背部注射材料的位置，與其他背部部分對比明顯、成像清晰、信噪比高（1.47±0.31）.而在熒光成像中，由于激發(fā)波長短，小鼠背部的其他區(qū)域有很強的背景熒光，致使注射材料區(qū)域的信號并不明顯，信噪比低（0.14±0.05）.從數(shù)值對比而言，長磷光成像的信噪比約為熒光成像的10.5倍.

3 結(jié) 論

為解決傳統(tǒng)Ir配合物激發(fā)波長短、背景熒光強、不利于活體成像的缺點，設計了3種不同N^N配體的金屬Ir配合物，在MeCN和MeOH 2種溶液體系中比較了它們的長磷光性質(zhì).實驗表明：3種Ir配合物都能夠在紫外燈照射一段時間移除光源后，表現(xiàn)出隨時間延長強度衰減的長磷光信號.其中，Ir配合物2由于其含有2個Br原子，其磷光強度相比其他2種Ir配合物更高，約為Ir配合物1和3的3倍，而衰減速度表現(xiàn)比Ir配合物1和3更慢，平均多出約100 s的時間達到穩(wěn)定，說明在該條件下的磷光壽命要高于Ir配合物1和3.為了增強Ir配合物的聚集并拓展其在活體長磷光成像中的應用，通過F127將Ir配合物2制備成水溶性納米粒子，并比較了熒光成像與長磷光成像模式下對小鼠皮下的成像效果，結(jié)果證實長磷光成像的信噪比約為熒光成像的10倍.這種成像方式為Ir配合物的活體光學成像提供了新的指導思路，有助于拓展更多Ir配合物在長磷光領域的研究.

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（責任編輯：郁 慧，顧浩然）

收稿日期： 2019-11-10

基金項目： 國家自然科學基金（21877080）

作者簡介： 侯雨桐（1994—），女，碩士研究生，主要從事配位化學方面的研究.E-mail：hyt11024688@163.com

通信作者： 楊 紅（1978—），女，教授，主要從事生物無機化學方面的研究.E-mail：yanghong@shnu.edu.cn;楊仕平（1969—），男，教授，主要從事生物無機化學方面的研究.E-mail：shipingy@shnu.edu.cn

引用格式： 侯雨桐，周治國，楊紅，等.具有不同N^N配體的金屬銥配合物長磷光性質(zhì) [J].上海師范大學學報（自然科學版），2020，49（2）：143-150.

Citation format： HOU Y T，ZHOU Z G，YANG H，et al.Long phosphorescence properties of iridium complexes with different N^N ligands [J].Journal of Shanghai Normal University（Natural Sciences），2020，49（2）：143-150.