综述：二氰异佛尔酮骨架：一种多功能平台，用于近红外、大斯托克斯位移荧光探针在传感和生物成像中的应用

《Journal of Molecular Structure》：The Dicyanoisophorone Scaffold: A Versatile Platform for Near-Infrared, Large Stokes Shift Fluorescent Probes in Sensing and Bioimaging

DCI衍生物作为新型近红外荧光探针，具有大斯托克斯位移、深组织成像能力和高生物相容性，广泛应用于氧化应激、细胞微环境、污染物检测及酶活性成像等领域，其设计策略与优势显著优于传统荧光染料。

　　在现代生物医学研究中，荧光探针作为一种高效的分子检测工具，已经被广泛应用于生物成像、环境监测以及疾病诊断等多个领域。近年来，随着对近红外（NIR）发射和大斯托克斯位移（Stokes shift）荧光探针需求的增加，科学家们不断探索新的分子结构以满足这些需求。其中，二氰基异异佛尔酮（Dicyanoisophorone，简称DCI）衍生物因其独特的光电特性而受到高度关注。DCI作为一类新型的荧光探针结构，具有显著的优势，特别是在复杂生物系统和体内成像中的应用。本文系统地总结了DCI探针在设计、光物理特性和实际应用方面的最新进展，重点探讨了其结构-性能关系及实际应用的转化潜力。

DCI衍生物的核心优势在于其能够在近红外波段（650-900 nm）发射光，这一特性使得其在深层组织成像中具有极高的应用价值。相比于传统的荧光探针，如BODIPY和罗丹明，它们通常在可见光波段（<500 nm）发射，容易受到组织自身荧光的干扰，限制了其在生物体内成像中的应用。而DCI探针的近红外发射不仅减少了光的自吸收和光谱重叠，还降低了对生物组织的损伤，从而提高了成像的清晰度和准确性。此外，DCI探针的斯托克斯位移较大（>150 nm），这是由其高效的分子内电荷转移（ICT）机制所驱动的，使得其在信号采集过程中能够有效避免激发光的回散射现象，提高信号-噪声比。

DCI探针的光电特性还体现在其优异的双光子吸收截面，这使得其在三维成像中表现出更高的灵敏度。相比于传统探针，DCI探针的双光子吸收能力显著增强，为在低光毒性条件下实现深层组织成像提供了有力支持。同时，DCI探针的血脑屏障（BBB）渗透性也是一项重要的突破，使其在神经成像和神经诊疗领域展现出广阔的应用前景。这些特性使得DCI探针在生物医学研究中成为一种极具潜力的工具。

然而，尽管DCI探针展现出诸多优势，其在实际应用中仍面临一些挑战。例如，DCI探针在水中的溶解度较低，这可能影响其在生物体内的有效传递和检测效率。此外，DCI探针的合成过程相对复杂，这在一定程度上限制了其大规模生产和应用的可行性。因此，为了克服这些局限性，研究人员正在探索新的合成策略，以提高DCI探针的水溶性和合成效率，同时保持其光电性能的优势。

在生物医学研究中，DCI探针的应用范围非常广泛。其不仅能够用于检测活性氧物种（ROS）、活性氮物种（RNS）、活性硫物种（RSS）和活性羰基物种（RCS），如一氧化碳（CO），还能够用于监测细胞微环境参数，如粘度、pH值和极性。此外，DCI探针还可以用于检测环境污染物，如金属离子和有机污染物，以及用于跟踪酶活性，如水解酶和氧化还原酶。在特定的亚细胞器或生物分子方面，如脂滴、溶酶体和氨基酸、蛋白质及淀粉样蛋白聚集体，DCI探针同样展现出良好的应用前景。

为了进一步提升DCI探针的性能和应用范围，研究人员正在探索多种设计策略。这些策略包括通过分析物触发的ICT、PET、FRET、ESIPT和TICT机制的调控，以及通过聚集诱导发光（AIE）和特异性结合相互作用的优化。这些设计策略的综合应用，使得DCI探针在多种生物医学研究中表现出更高的灵敏度和选择性。例如，通过在供体侧引入电子供体基团（如苯胺、二烷基氨基），可以有效调控ICT/TICT的平衡，从而优化斯托克斯位移和发射波长，提高溶剂敏感性。而在受体侧引入电子吸引基团（如卤素化、三氟甲基、羰基），则可以稳定激发态的ICT，实现近红外发射，但需要注意这些基团可能会降低荧光量子产率，除非引入AIE或旋转受限效应。

此外，掩蔽基团（如DNBS、叠氮化物、DMTC）的引入可以调控探针的选择性和反应动力学，从而提高其对特定分析物的识别能力。例如，通过引入立体效应或邻位氟取代基团，可以加速半胱氨酸（Cys）的选择性取代或环化反应，提高其与谷胱甘肽（GSH）或半胱氨酸（Hcy）的区分度。同时，脂溶性（logP ～1-2.5）使得DCI探针能够有效地靶向特定的亚细胞器，如脂滴、溶酶体和线粒体，而过高的水溶性（logP < 0.5）则可能影响其在生物体内的有效摄取。因此，研究人员需要在脂溶性和水溶性之间进行权衡，以实现最佳的探针性能。

为了实现DCI探针的高效应用，研究人员还需要在多个方面进行优化。首先，需要提高其在水中的溶解性，以确保其在生物体内的有效传递和检测。其次，需要简化其合成过程，以提高其大规模生产和应用的可行性。此外，还需要提高其荧光量子产率，以确保其在信号采集过程中的高灵敏度。同时，还需要优化其选择性和反应动力学，以提高其对特定分析物的识别能力。最后，还需要提高其生物相容性，以减少其对生物组织的非特异性反应。

在生物医学研究中，DCI探针的应用不仅限于基础细胞生物学研究，还涵盖了多种疾病模型的体内成像，如癌症、神经退行性疾病、糖尿病、炎症和肝损伤。此外，DCI探针还被广泛应用于环境监测和食品安全分析，为检测环境污染物和食品中的有害物质提供了新的工具。在未来的医学研究中，DCI探针还可能被用于潜在的诊断和诊疗应用，为疾病的早期诊断和治疗提供支持。

总之，DCI探针作为一种新型的荧光探针结构，具有显著的优势，特别是在近红外发射和大斯托克斯位移方面。通过优化其设计策略和合成方法，研究人员可以进一步提升DCI探针的性能和应用范围，使其在生物医学研究中发挥更大的作用。随着研究的不断深入，DCI探针有望成为一种重要的工具，为解决生物医学中的复杂问题提供支持。