铸币金属环三核簇（CTCs）是一系列以Cu(I)、Ag(I)、Au(I)为三核，以有机配体为桥联的金属有机配合物。这一家族以其卓越的光物理特性，在发光器件、传感、催化等多个领域都展现出可广泛的应用前景。然而，CTCs家族往往由于颗粒尺寸大或强疏水性等特性，使其在生物化学领域的应用受到了极大的限制。多光子上转换光致发光（MPEL）是一种非线性光学现象，以其深层组织穿透力和低背景干扰，在生物成像中展现出独特的优势，结合低生物毒性、高成像灵敏度和良好的发光稳定性，为生物医学研究提供了一种高效的无创成像手段。尽管CTCs家族中的单光子光致发光（1PEL）现象已有广泛研究，但其MPEL性能尚未被探索，这也进一步限制了其在生物成像中的应用。

近日，中山大学欧阳钢锋教授、扬州大学田甜教授及中山大学第一附属医院吴超教授，联合在期刊Nature Communications发表了题为“Unlocking Multi-Photon Excited Luminescence in Pyrazolate Trinuclear Gold Clusters for Dynamic Cell Imaging”的研究论文。该研究首次揭示了CTCs家族中的代表性成员——一种基于吡唑的金环三核配合物（Au3）——在800-1000 nm近红外光激发下的多光子光致发光（MPEL）特性。这种MPEL特性得益于独特的激基缔合物之间的亲金属Au(I)…Au(I)相互作用，与传统的有机染料发光机制截然不同。通过MEPL强度与入射激光功率之间的斜率关系，可以推论在840 nm的飞秒激光辐照下，Au3可以同时吸收3个光子，从而实现三光子上转换光致发光。

图1：Au3的化学结构与1PEL/MEPL光学表征

尽管Au3的MPEL特性为CTCs在生物成像领域的应用提供了新的可能，但其较大的颗粒尺寸和强疏水性却限制了其在生物体内的应用。为了克服这些挑战，研究团队采用了静电纺丝技术，结合羟丙基-β-环糊精（HPβCD）作为基质，成功制备出一种新型的大面积、柔性、耐用且高透明的红色发光薄膜（Au3-CD薄膜）。这种薄膜凭借其良好的可加工性，适用于各种应用场景。相较于原始的Au3微晶，Au3-CD薄膜的亲水性得到了显著的提高。更有趣的是，经过静电纺丝后，Au3微晶颗粒的尺寸从微米级别降低至纳米级别。因此，这一创新性的纺丝改性策略通过改进亲水性和降低颗粒尺寸，成功地改善了Au3的生物相容性。

图2：Au3-CD薄膜的制备工艺和形态表征示意图。

研究团队进一步利用多种表征手段和模拟计算，深入探究了HPβCD与Au3的相互作用及其对光致发光特性的增强机制。核磁共振与红外光谱的表征结果共同指示了Au3与HPβCD外腔的羟基可能形成氢键作用。X射线光电子能谱则展示了Au3-CD薄膜中金的结合能的提升。这与模拟计算的静电势分布图的结果一致，均表明了金三核区域电子云密度的降低。

图3：Au3和HPβCD相互作用的表征。

在单光子光致发光性能方面，Au3-CD薄膜展现出了高达88.3%的优越的光致发光量子产率，相较于原始的Au3材料提升了14.4%。同时，Au3-CD薄膜具有良好热稳定性与长期稳定性。例如， 450 K高温条件下，Au3-CD薄膜依然能保持强发光。此外，经过210天的持续监控，Au3-CD薄膜的PLQY仍保持在75%以上，证明了其在实际应用中的可靠性和耐用性。变温稳态光致发光光谱显示，Au3-CD薄膜在77 K-450K下均有强烈的发光。与Au3相似，该膜在低温下能产生蓝绿色高能发光，具有随温度变色的特性。通过拟合和对比，可知Au3-CD薄膜的激子结合能相较Au3有所提升，证实了这一改性措施有效地抑制了激子解离，促进了辐射复合速率，从而改进了发光效率。

图4：Au3-CD薄膜的1PEL光学性能表征。

对比Au3与加入HPβCD后的瞬态吸收光谱分析两者的激发态动力学，作者推测Au3与HPβCD的氢键作用改变了Au3的激发态能级，从而抑制了激发态吸收，并提高了隙间窜跃的速率。这种微调控措施有效地改进了Au3-CD薄膜的光物理特性，使其展现出更优异的单光子/多光子光致发光性能。

图5：瞬态吸收光谱与Jablonski能级图。

在实际应用案例中，研究团队以小鼠巨噬细胞与大肠杆菌作为模型，展示了Au3-CD薄膜在细胞成像中的应用潜力。生物电镜图显示，Au3-CD薄膜能够迅速溶解并释放出HPβCD包裹的Au3纳米粒子，通过细胞的主动内吞作用进入细胞内，实现细胞的多光子成像。与之相比，大肠杆菌作为具有代表性的原核细胞，其细胞壁的存在可能会限制发光材料的内化。而Au3-CD薄膜同样成功“点亮”大肠杆菌，显示出其在原核细胞成像中的能力。

图6：使用Au3-CD薄膜实现的多光子光致发光细胞成像。

综上所述，研究团队在首次发现Au3的多光子光致发光特性的基础上，采用的静电纺丝结合HPβCD的创新策略，显著地改善了Au3的生物相容性，使其成功实现了多光子细胞成像。这项研究成果不仅彰显了基于CTCs在生物成像、靶向递药与传感技术等方向的应用潜力，更为这一家族在生物化学领域的应用研究提供了有益的参考和启发。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-51753-4

Chen, Y-X., Yu, H., Wu, L. et al. Unlocking multi-photon excited luminescence in pyrazolate trinuclear gold clusters for dynamic cell imaging. Nat. Commun. 15, 7356 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-51753-4

通讯作者简介：

欧阳钢锋，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，英国皇家化学会会士，中组部国家“万人计划”入选者，科技部中青年科技创新领军人才，广东省“珠江学者”特聘教授，广东省“百千万工程”领军人才，“科学中国人”2017年度人物。本科毕业于四川大学，博士毕业于中山大学，曾赴加拿大 Waterloo 大学从事博士后研究。现任中山大学化学工程与技术学院院长，化学学院化学系主任，环境化学研究所所长，微萃取与分离技术研究中心主任。主要从事环境分析化学与微萃取技术研究工作，包括水分析技术、动植物活体检测技术以及医学检测技术等方面的研究。主持包括国家杰出青年科学基金、国家重大仪器专项、国家基金重点项目等在内的多个国家级、省部级项目。在 Chem. Rev., PNAS, Chem., Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Chem. Sci., Anal. Chem., Environ. Sci. Technol.等期刊发表 SCI 论文 320余篇，引用 8000 余篇次，入选 Elsevier 中国高被引学者榜单，获得国家发明专利 10 项，主编中英文专著各 1 部，参编英文专著 3 部。国际期刊 Trends Anal. Chem. (IF = 14.9), Microchem. J. (IF = 5.3) 杂志副主编，Anal. Chim. Acta、《环境化学》、《环境科学》和《分析化学》等杂志编委，中国化学会环境化学专业委员会委员，中国环境科学学会环境化学分会委员，全国高校分析测试学会副理事长，广东省分析测试协会副理事长，广东省质谱学会理事长，广东省精准医学应用学会分子影像分会副主任委员，广东省化学会理事，广东省化学会环境化学专业委员会副主任委员。

田甜，扬州大学特聘教授，2020年毕业于上海理工大学/丹麦技术大学联合培养博士，2020年-2023年，中山大学化学学院博士后。近年来，主要从事线性与非线性光学、柔性纳米材料制备和器件研究，在Nat. Sustain., Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., ACS Photonics等期刊上发表论文20多篇，承担国家青年基金等项目5项，授权国家专利5项。