10位原子取代策略构筑高性能氧杂蒽类荧光染料

《Chemistry Letters》：High-performance xanthene dyes based on 10-position atom substitution strategy

　　

小分子荧光探针，特别是基于氧杂蒽（xanthene）的染料如罗丹明（rhodamines）和焦宁（pyronins），已成为以高时空分辨率可视化复杂生物过程的不可或缺工具。在本综述中，研究人员总结了氧杂蒽染料10位原子取代的最新进展，并讨论了这一策略如何推动了用于生物成像的高性能可激活荧光探针的开发。研究人员进一步强调了将该分子设计拓展至共振拉曼（resonance Raman）探针的应用，为生命系统的高度多重成像开辟了新机遇。

论文解读文章

研究背景与科学问题

小分子荧光探针是现代生物成像技术的核心工具之一，其中氧杂蒽（xanthene）类染料（如罗丹明rhodamine、荧光素fluorescein、焦宁pyronin等）因其高摩尔消光系数、高荧光量子产率和优异的光稳定性而被广泛应用。随着生物成像对更高分辨率、更深组织穿透和更多重检测能力的需求不断增长，传统氧杂蒽染料的光物理性质调控面临瓶颈。尤其是其吸收和发射波长主要集中在可见光区，限制了其在近红外（NIR）及短波红外（SWIR）区域的应用，同时也难以满足超分辨显微镜和多重成像对光谱分离度的要求。为此，研究人员亟需发展一种能够系统性调控氧杂蒽染料光学性质及其他理化性质的分子设计策略。

研究内容与核心发现

本综述聚焦于氧杂蒽染料10位桥连原子替换这一核心分子设计策略，系统梳理了从第13族到第16族元素取代所引发的光学性质、化学活性、亚细胞定位及功能性变化。研究表明，替换10位的桥连原子不仅能显著改变染料的吸收和发射波长，还能影响其荧光性、膜通透性、靶点特异性及光敏化能力。具体而言：

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  第13族（硼B）取代：首个硼取代焦宁衍生物JS-R在溶液中存在三价与四价平衡态，三价态吸收红移，四价态可与糖类结合实现传感。硼取代罗丹明RF₆₂₀在生理条件下呈荧光四价态，可被过氧化氢（H₂O₂）选择性氧化裂解为四甲基罗丹明（TMR），实现比率检测。引入空间位阻基团后可稳定三价态，使吸收峰红移至约800 nm，展示了从可见到近红外区域的动态波长调谐能力。
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  第14族（碳C、硅Si、锗Ge、锡Sn）取代：Si、Ge、Sn取代通过σ-π和d-π共轭稳定最低未占分子轨道（LUMO），导致吸收红移，红移程度顺序为SiMe₂ > GeMe₂ > SnMe₂。C取代因缺乏有效σ-π*相互作用而红移最小。引入含氧取代基（如缩酮结构KRh-Me）或强吸电子基（如CF₃的BF染料）可进一步红移。羰基取代的KR-1在短波红外（SWIR）区吸收达862 nm，可用于光声成像。此外，Si原子可作为连接靶向配体（如Hoechst、HaloTag配体）的位点，且立体异构体表现出截然不同的靶点特异性和亚细胞定位。延长烷基链可诱导非荧光纳米聚集体形成，目标结合后解聚产生高达约2000倍的荧光增强。SiOH2R可通过H₂O₂氧化裂解C-Si键转化为TMR，实现比率检测。2025年还报道了640 nm激光照射下Si-罗丹明光化学转化为O-罗丹明的现象，用于双色单分子定位显微镜（SMLM）。
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  第15族（氮N、磷P、锑Sb、铋Bi）取代：N取代（如吖啶橙AO）存在pH依赖的质子化平衡，引起约100 nm吸收位移。N-烷基化或引入吸电子的二氟甲基可进一步红移。P取代因膦氧（P=O）的诱导效应和σ-π共轭而产生比Si更大的红移，且可通过改变P上取代基精细调节光学性质。P衍生物的膜通透性也随取代基不同而变化，并可用于设计次氯酸（HClO）响应的诊疗一体化探针。P-罗丹明的顺反异构体同样表现出不同的靶蛋白结合能力。Bi取代因重原子效应具有高的单线态氧量子产率（0.66），可用于开发γ-谷氨酰转肽酶（GGT）激活的光敏剂。
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  第16族（氧O、硫S、硒Se、碲Te）取代：吸收波长随原子尺寸增大而红移（O < S < Se < Te），原因在于杂原子p轨道与氧杂蒽π*轨道的重叠减弱，使得更长的共轭花菁样共振结构贡献增加。氧化态的改变（如SO₂、Te=O）也能引起红移。Se和Te的重原子效应增强了系间窜越，但Se在单线态氧生成效率上优于Te，因为Te会加速三重态的非辐射失活。Se-罗丹明已被用于构建GGT激活型光敏剂。Te-罗丹明则可通过可逆氧化还原反应实现对活性氧（ROS）的可逆荧光检测。

关键技术方法

本综述涉及的关键技术方法主要包括：1）有机合成化学方法，用于在氧杂蒽骨架的10位引入不同元素（B、C、Si、Ge、Sn、N、P、Sb、Bi、O、S、Se、Te）及其功能化取代基；2）稳态和瞬态光谱学表征，包括紫外-可见吸收光谱、荧光光谱、荧光量子产率和寿命测量；3）理论计算（如密度泛函理论DFT），用于分析分子轨道能级变化和共轭作用机制；4）细胞生物学成像技术，包括共聚焦荧光显微镜、单分子定位显微镜（SMLM）、受激拉曼散射（SRS）显微镜及电子预共振SRS（EPR-SRS）技术；5）生化分析方法，用于评估探针对靶标（如过氧化氢、谷胱甘肽GSH、GGT、HClO等）的响应性和选择性。

研究结果分述

第13族取代染料：硼取代焦宁JS-R在溶液中存在三价/四价平衡，四价态可结合糖类并产生光学响应；硼取代罗丹明RF₆₂₀在生理pH下为荧光四价态，可被H₂O₂氧化为TMR，实现比率检测；引入大位阻基团的B-荧光素可稳定三价态，利用p-π*共轭将吸收峰推至约800 nm。

第14族取代染料：Si、Ge、Sn取代通过σ-π和d-π*共轭稳定LUMO，红移顺序为Si > Ge > Sn；C取代红移最小。含氧取代基（如KRh-Me）或强吸电子基（如BF染料）可进一步红移。羰基取代的KR-1在SWIR区吸收达862 nm。Si原子可作为配体连接位点，立体异构体影响靶点特异性。长烷基链诱导纳米聚集，结合靶标后荧光增强可达2000倍。SiOH2R可被H₂O₂氧化裂解；Si-罗丹明在640 nm光照下可光化学转化为O-罗丹明。

第15族取代染料：N取代染料存在pH依赖的质子化平衡；N-烷基化或引入吸电子基可红移。P取代因P=O的诱导效应和σ-π共轭产生更大红移，且可通过改变取代基精细调谐。P衍生物的膜通透性可控，可用于HClO响应型诊疗探针。P-罗丹明的立体异构体影响靶蛋白结合。Bi取代因重原子效应具有高单线态氧量子产率，可用于GGT激活型光敏剂。

第16族取代染料：吸收波长随原子尺寸增大而红移（O < S < Se < Te）。氧化态改变（如SO₂、Te=O）也可引起红移。Se和Te的重原子效应增强系间窜越，但Se在单线态氧生成上更优。Se-罗丹明用于GGT激活型光敏剂；Te-罗丹明用于可逆ROS检测。

拉曼探针：10位取代策略被拓展至共振拉曼探针。通过系统比较9CN-JXP系列衍生物，发现桥连原子改变不仅影响吸收波长，还通过调制电子态和骨架应变改变腈基和C=C振动模式的拉曼位移。10位取代还显著影响亚细胞定位（线粒体、RNA富集区、溶酶体）。Si取代虽增强拉曼信号但细胞内稳定性不足，C取代提供了最佳平衡。Te桥连的9CN-diMeJTeP可通过光氧化产生TeO，引起拉曼信号增强。

总结与展望

本综述系统总结了10位原子取代策略在氧杂蒽染料分子工程中的最新进展。从第13族到第16族的多种元素取代不仅通过轨道相互作用和诱导效应改变了染料的电子状态，还广泛影响了其荧光性、膜通透性、亚细胞定位、靶点特异性、化学反应性和光敏化能力。因此，这一策略远不止是一种简单的波长延伸方法，而是提供了一个多功能平台，用于开发自发闪烁的超分辨显微镜荧光团、高荧光性的蛋白质标记探针、可激活的诊疗试剂以及用于多重SRS成像的共振拉曼探针。这些进展确立了10位工程作为下一代氧杂蒽基探针的核心分子设计原则之一。未来的持续探索有望进一步扩展氧杂蒽荧光团和拉曼探针的能力，显著拓宽未来生物成像技术的应用范围。