具有高量子产率和可调光谱特性的π-共轭2-芳基吲哚荧光探针开发及其生物成像应用研究

《European Journal of Organic Chemistry》：π‐Conjugated 2‐Arylindoles with High Quantum Yields and Tunable Spectroscopic Features

本研究针对生物成像领域对高性能荧光探针的迫切需求，开发了一系列新型2-芳基吲哚衍生物。研究人员通过Fischer吲哚合成和Sonogashira偶联技术，成功构建了具有(杂)芳炔单元和NHS反应基团的荧光分子。该系列化合物展现出显著的溶剂化变色效应、高达94%的荧光量子产率，以及蓝绿光区域的发射波长可调性。更重要的是，这些荧光团在与牛血清白蛋白偶联后仍能保持溶剂暴露状态，维持其在水性介质中的发射特性，为生物传感和成像应用提供了重要技术支撑。

　　

在生命科学研究领域，高性能荧光探针犹如探索细胞微观世界的"灯塔"，它们的光学特性直接决定了生物分子检测和成像的灵敏度与可靠性。然而，传统荧光染料往往面临量子产率低、光谱不可调、生物相容性差等瓶颈问题，特别是在水性环境中容易发生荧光猝灭，严重制约了其在活体成像中的应用效果。正是在这样的技术背景下，意大利比萨大学的研究团队独辟蹊径，将目光投向了具有天然生物相容性的吲哚类化合物，致力于开发新一代环境响应型荧光探针。

研究人员创新性地设计并合成了一系列结构新颖的2-芳基吲哚衍生物，这些分子巧妙地融合了π-共轭体系与生物共轭功能团的双重特性。该研究成果发表于《European Journal of Organic Chemistry》，为荧光探针的设计提供了新的思路。

研究团队采用的关键技术方法主要包括：通过Fischer吲哚合成法构建吲哚核心骨架，利用Sonogashira偶联反应引入(杂)芳炔单元以扩展π-共轭体系，并通过引入N-羟基琥珀酰亚胺酯(NHS)活性基团实现与蛋白质的生物共轭。所有化合物均经过系统的光谱表征，包括在不同极性溶剂中的紫外-可见吸收和荧光发射测试，以及荧光量子产率的精确测定。

分子设计与合成

研究团队采用模块化设计策略，以2-芳基吲哚为基本骨架，通过Sonogashira偶联反应引入(杂)芳炔单元，构建了扩展的π-共轭体系。特别值得关注的是，研究人员在分子末端引入了电子给体(-NMe₂)和电子受体(-CN)取代基，通过调控推-拉电子效应实现了光谱特性的精细调节。合成路线显示，Fischer吲哚合成法能够高效构建吲哚核心，而随后的偶联反应则具有良好的官能团兼容性。

光物理性质表征

光谱学研究揭示了这一系列化合物的卓越性能。在极性溶剂中观察到显著的溶剂化变色效应，表明这些分子具有高度极化的激发态。荧光量子产率最高达到94%，表明其具有极佳的光子收集效率。发射波长覆盖蓝色到绿色光谱区域(约450-550 nm)，这一特性使得它们能够与常规荧光检测设备完美匹配。更重要的是，分子结构与光学性能之间的构效关系得到了系统阐明。

生物共轭应用验证

为验证实际应用价值，研究人员选择代表性衍生物与牛血清白蛋白(BSA)进行共轭实验。光物理测量结果表明，共轭后的荧光团仍然保持溶剂暴露状态，在水性介质中的发射特性未受明显影响。这一发现具有重要实践意义，因为它意味着这些探针在复杂的生物环境中能够保持其光学性能，不会因蛋白质包埋效应而导致荧光猝灭。

该研究的结论部分强调，基于吲哚的荧光支架成功实现了多重设计目标：高量子产率、可调光谱特性以及良好的生物相容性。特别是NHS活性酯的引入为探针的生物功能化提供了便捷途径，使得这些分子能够轻松地与各种生物分子进行共轭。讨论部分进一步指出，这类探针的溶剂暴露特性是其区别于传统荧光标记物的关键优势，确保其在生物成像和传感应用中能够对环境变化产生响应。

这项工作的科学意义不仅在于开发了一类新型高性能荧光探针，更重要的是建立了吲哚类化合物作为荧光团设计平台的通用策略。其所展现的"结构可调-性能可控-应用便捷"的特点，为未来开发更复杂的生物传感系统奠定了坚实基础。随着进一步的功能化修饰，这些探针有望在细胞成像、疾病诊断以及药物筛选等领域发挥重要作用。