當(dāng)稀土遇見分子籠：新型發(fā)光超分子體系

孫慶福，李小貞

(中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所 結(jié)構(gòu)化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350002

1 引 言

對光的感知是生物最基本的一種能力，因此發(fā)光材料在我們的生產(chǎn)、生活中起著不可或缺的作用。與有機(jī)發(fā)色團(tuán)以及過渡金屬-有機(jī)發(fā)色團(tuán)相比，稀土元素獨(dú)特的光譜性質(zhì)使其在發(fā)光領(lǐng)域具有特殊地位。鑭系稀土元素因其豐富的電子能級和特殊的f電子躍遷，發(fā)光波長幾乎覆蓋整個固體發(fā)光范疇且具有長壽命激發(fā)態(tài)，可以用于制備各種新型的發(fā)光材料[1-2]。從Y2O3∶Eu熒光粉到Y(jié)AG∶Nd激光器，如今，稀土元素已經(jīng)在光學(xué)器件、生物成像和診療、安全防偽、發(fā)光傳感器和太陽能轉(zhuǎn)換等方面實(shí)現(xiàn)了廣泛應(yīng)用。

隨著科技和信息的發(fā)展，對新型發(fā)光材料的制備也提出了精準(zhǔn)化、智能化和綠色化等更高的要求。配位導(dǎo)向自組裝在多組分超分子聚集體構(gòu)筑的可控合成與調(diào)控方面展現(xiàn)出優(yōu)異的高效性與多樣性。利用具有明確配位構(gòu)型的過渡金屬為節(jié)點(diǎn)，通過有機(jī)構(gòu)筑基元的合理設(shè)計與調(diào)控，各種幾何形狀的多核金屬有機(jī)分子籠的結(jié)構(gòu)設(shè)計成為可能，其中具有絕對立體構(gòu)型的手性配位超分子體系也被相繼報道[3]。由于宇稱選律以及自旋多重度的變化等因素的影響，三價稀土離子自身的吸光度較低(<100 M-1·cm-1)，致使其直接光激發(fā)一般需要高功率光源。與無機(jī)稀土材料相比，稀土-有機(jī)超分子體系可以充分利用配體的天線效應(yīng)敏化稀土發(fā)光，且可以通過分子設(shè)計實(shí)現(xiàn)對組裝體結(jié)構(gòu)和性能的可控調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)發(fā)光材料的智能化設(shè)計。然而，受限于稀土配位化學(xué)的復(fù)雜性，多組分稀土超分子體系的設(shè)計合成長時間無人問津。

2 昨天：稀土遇見超分子

稀土超分子體系的研究歷史其實(shí)由來已久。19世紀(jì)60年代，NMR核磁位移試劑的發(fā)展引發(fā)了人們對于Ln-酞菁和Ln-卟啉化合物的研究。相應(yīng)地，基于鎖匙原則的經(jīng)典冠醚、穴醚等單核稀土大環(huán)化合物被相繼報道，并進(jìn)一步促進(jìn)了具有更好框架柔性的杯芳烴、席夫堿大環(huán)、1,4,7,10-四氮環(huán)十二烷及其衍生物等的稀土配位化學(xué)研究。隨著設(shè)計性和可修飾性更強(qiáng)的多頭配體的設(shè)計合成，具有良好穩(wěn)定性、水溶性及發(fā)光性能的單中心稀土配合物在生物分析領(lǐng)域的應(yīng)用開始進(jìn)入人們的視野[4]。

對比有機(jī)染料，稀土螯合物特征的4f電子躍遷發(fā)射覆蓋可見區(qū)到近紅外區(qū)，具有熒光壽命長、特征的線狀發(fā)射和大斯托克斯位移等優(yōu)點(diǎn)。例如，基于1,4,7,10-四氮環(huán)十二烷衍生物以及含2,2′-聯(lián)吡啶的穴狀配體形成的稀土大環(huán)化合物，可以實(shí)現(xiàn)對金屬離子、pH、O2、陰離子等的特異性和高靈敏傳感[5]。從非均相的解離增強(qiáng)型氟化鑭免疫測定(DELFIA)到均相時間分辨熒光測定(HTRF)的廣泛應(yīng)用也見證了稀土配合物的快速發(fā)展。其中Lehn教授報道的三(聯(lián)吡啶)穴狀配體與稀土金屬離子形成的化合物已經(jīng)被CisBio公司商品化，用于免疫分析檢測[6]。Parker教授課題組也通過在多齒大環(huán)配體，如DTPA(二乙烯三胺五乙酸)、DO3A(1,4,7,10-四氮雜環(huán)十二烷-1,4,7-三乙酸)等，連接一個或多個發(fā)色團(tuán)或靶向基團(tuán)，大大提高了稀土化合物在生物成像和分析檢測中的光學(xué)性能和靶向性[7]。Raymond教授等也相繼報道具有強(qiáng)發(fā)光的單核稀土超分子配合物用于相關(guān)檢測試劑盒，且已經(jīng)分別被ThermoFisher，Lumiphore公司商品化推廣[8]。此外，值得一提的是，基于DOTA(1,4,7,10-四氮雜環(huán)十二烷-1,4,7,10-四乙酸)和DTPA衍生物的大環(huán)配體的釓螯合物也是目前廣泛臨床使用的核磁共振成像(MRI)造影劑[9]。Raymond教授曾報道含兩個內(nèi)層配位水的穴狀釓螯合物，大大提高了造影劑的弛豫時間[10]。

3 今天：五顏六色的稀土超分子組裝體

盡管單核稀土螯合物已經(jīng)在光學(xué)檢測、生物成像等方面取得了重要進(jìn)展，但仍然面臨較多局限性。單打獨(dú)斗不如團(tuán)隊合作，超分子自組裝基于非共價鍵相互作用由簡單的構(gòu)筑基元到構(gòu)筑復(fù)雜的分子體系，其較強(qiáng)的協(xié)同效應(yīng)和組裝可控性為提高和優(yōu)化多核稀土組裝體的性能提供了可能。

1992年，Piguet教授等發(fā)表了首例基于二(苯并咪唑)吡啶配位基團(tuán)的M2L32型(M代表金屬中心，L代表有機(jī)配體)雙核稀土超分子三股螺旋結(jié)構(gòu)。通過對配位點(diǎn)數(shù)量和種類的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對不同稀土金屬離子及稀土金屬離子和過渡金屬離子的可控編碼性組裝，成功構(gòu)筑了多核及d-f異金屬螺旋結(jié)構(gòu)[11-12]。盡管稀土元素的物理、化學(xué)性質(zhì)較為相似，但在光譜以及磁性等方面又具有不易受環(huán)境影響的高度特異性。在分子水平上實(shí)現(xiàn)不同金屬離子的編碼性組裝對調(diào)節(jié)光學(xué)性能、實(shí)現(xiàn)多模式成像及上轉(zhuǎn)換發(fā)光等具有重要意義。2011年，Bunzli教授等報道了含有異金屬稀土三股螺旋體，其近紅外發(fā)光的激發(fā)窗口可達(dá)600 nm[13]。類似的稀土螺旋體結(jié)構(gòu)也已經(jīng)被用于設(shè)計生物熒光探針及單分子磁體。同時，利用含過渡金屬CrⅢ的CrErCr組裝體分子內(nèi)Cr(2E)→Er(4I9/2)能量傳遞，用近紅外光激發(fā)可得到ErⅢ金屬中心的綠色熒光發(fā)射，是首例NIR→可見光的分子上轉(zhuǎn)換超分子體系[14]。含兩個敏化劑的CrErCr組裝體與含一個敏化劑的CrEr組裝體相比表現(xiàn)出更高的上轉(zhuǎn)換發(fā)光效率。因此，通過多組分超分子自組裝來提高敏化劑/發(fā)光中心的比例是提高分子上轉(zhuǎn)換發(fā)光效率的重要途徑。段春迎課題組報道了一系列穩(wěn)定的稀土鈰的金屬-有機(jī)四面體籠，利用稀土特征發(fā)光和超分子籠特有的限域空腔實(shí)現(xiàn)了對活體細(xì)胞中NO的生物成像檢測以及尺寸選擇性催化，并能夠通過便捷的熒光監(jiān)測實(shí)現(xiàn)對催化反應(yīng)進(jìn)程的可視化跟蹤，揭示了稀土配位超分子籠的另一重要應(yīng)用前景[15-16]。2016年，Albrecht教授設(shè)計合成了具有裸露金屬位點(diǎn)的M2L2型雙金屬稀土二股螺旋結(jié)構(gòu)，并利用配位取代熒光增強(qiáng)效應(yīng)展示了其對AMP的高選擇性熒光識別[17]。通過進(jìn)一步對有機(jī)構(gòu)筑基元的修飾和調(diào)節(jié)，我們課題組在多核稀土超分子組裝體的水穩(wěn)定性以及發(fā)光性能的優(yōu)化方面取得重要進(jìn)展，為熒光識別等應(yīng)用提供了良好的基礎(chǔ)[18-19]。

手性存在于所有生物中，因此手性物質(zhì)的合成和檢測對了解自然和模仿自然極為重要。隨著近年來圓偏振發(fā)光(Circular polarized luminescence，CPL)檢測技術(shù)的發(fā)展與普及，手性構(gòu)型化合物的CPL性能引起了廣泛關(guān)注。由于有機(jī)分子的不對稱發(fā)光因子普遍較低(一般glum<10-4)，嚴(yán)重限制了其在手性光學(xué)方面的應(yīng)用。稀土離子的f-f躍遷遵循磁偶極選擇規(guī)則，其發(fā)光常表現(xiàn)為更大的不對稱極化和更高的靈敏性[20]。因此，具有特定空腔結(jié)構(gòu)的手性稀土超分子主體在基于CPL的手性檢測領(lǐng)域具有重要的潛力。采用帶手性誘導(dǎo)基團(tuán)配體來選擇性構(gòu)筑具有穩(wěn)定手性構(gòu)型的三維稀土超分子設(shè)計策略，我們課題組在2015年合成了首例手性純的鑭系銪超分子四面體籠，并通過配體手性自分類組裝實(shí)驗(yàn)證實(shí)了兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的四面體超分子骨架在機(jī)械耦合協(xié)同效應(yīng)方面的顯著差異。具有單一立體構(gòu)型的鑭系四面體對手性有機(jī)磷陰離子展示出較好的手性NMR識別行為，預(yù)示著手性稀土配位多面體在手性位移試劑方面也擁有重要的應(yīng)用前景[21]。

通過對配體螯合邊臂錯位距離的連續(xù)性調(diào)控，我們進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了從稀土有機(jī)螺旋體、四面體、再到立方體的定向結(jié)構(gòu)調(diào)控，詳細(xì)總結(jié)了濃度依賴的平衡轉(zhuǎn)化、熱力學(xué)/動力學(xué)穩(wěn)定性差異、立體選擇性原則、組分協(xié)同效應(yīng)等稀土超分子多面體溶液自組裝的機(jī)理[22]。新制備的稀土超分子組裝體可作為理想的熒光探針用于爆炸物、農(nóng)藥、手性小分子等的高靈敏度的熒光檢測，為其在熒光探針以及生物成像等方面的應(yīng)用提供了良好的基礎(chǔ)[23-25]。閆鵬飛教授通過手性輔助配體的誘導(dǎo)基于非手性配體合成了具有較高量子產(chǎn)率(81%)和不對稱因子(glum=0.2)的手性稀土四面體結(jié)構(gòu)，并表現(xiàn)出較強(qiáng)的手性記憶性能[26]。雖然稀土元素的配位多樣性和易變性給多組分手性稀土分子籠的設(shè)計合成帶來巨大挑戰(zhàn)，但是目前的研究進(jìn)展已經(jīng)表明它們在手性檢測及不對稱催化領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。

4 明天：稀土超分子點(diǎn)亮的世界

多組分稀土超分子體系具有自下而上導(dǎo)向自組裝的可預(yù)測性、明確的分子結(jié)構(gòu)和易于化學(xué)修飾等顯著區(qū)別于傳統(tǒng)稀土配合物和稀土納米粒子的特點(diǎn)，加上其精準(zhǔn)可調(diào)的納米空腔、組分協(xié)同效應(yīng)和多功能復(fù)合等特色優(yōu)勢，是發(fā)展新型智能發(fā)光材料的重要突破口。例如，一個同時滿足低毒性、水穩(wěn)定、強(qiáng)發(fā)光(特別是近紅外Ⅱ窗口發(fā)光)、能可逆包裹和釋放抗癌藥物這四方面要求的稀土分子籠就是一個理想的可視化靶向藥物載體。雖然多組分稀土超分子發(fā)光材料方面的研究才剛剛起步，我們相信不遠(yuǎn)的將來它們在熒光傳感、生物檢測和診療藥物等領(lǐng)域?qū)l(fā)揮更多更大的作用。正所謂：路途漫漫，未來可期。