化学发光共振能量转移效率与供体-受体距离关系从定性到定量测定

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化学发光共振能量转移（CRET）是将化学反应产生的供体分子激发态能量转移到受体分子的能量转移过程，在免疫分析、检测、成像以及治疗等领域具有广阔的应用前景。由于CRET最初是通过用化学发光供体代替荧光共振能量转移（FRET）中的荧光供体发展而来，因此一直被认为遵循Förster共振理论，即能量转移效率与供体-受体距离的六次方成反比。但是，这一论点至今还缺乏实验数据支持，阻碍了CRET过程的定量研究和应用。

近期，北京化工大学管伟江副教授（点击查看介绍）/吕超教授（点击查看介绍）团队巧妙地设计了一种新颖策略来定量测定CRET过程中能量转移效率与供体-受体距离之间的关系。通过将四苯基乙烯（TPE）共价连接到与十二烷基三甲基溴化铵（C12TAB）阳离子头基相邻的第四、第八和第十二个甲基上，设计合成了三种聚集诱导发光（AIE）型阳离子表面活性剂：C8-TPE-C4TAB、C4-TPE-C8TAB和TPE-C12TAB。它们具有相近的表面活性与光学性质，能够在相同浓度下形成粒径相近且高效发光的球形胶束。同时，不同胶束中的TPE发光团与阳离子头基具有不同的距离（11.9 Å、17.3 Å和22.4 Å）。另一方面，鲁米诺（化学发光供体）在碱性溶液中失质子变成鲁米诺阴离子，通过静电作用结合在AIE胶束表面，此时鲁米诺（能量供体）与TPE（能量受体）之间的距离约等于阳离子头基与TPE之间的距离。

图1. AIE胶束用于CRET效率与供体-受体距离的定量关系测定。

光谱研究表明，当CRET供体-受体距离不变时，对应的CRET效率也保持不变，分别为99.14 ± 0.07%、93.41 ± 0.10%和72.39 ± 0.22%。通过Förster公式（E = R06 / (R06+ r6)，其中R0是Förster距离、r是供体-受体距离）计算出对应的Förster距离分别为26.3 ± 0.3 Å、26.9 ± 0.1 Å和26.3 ± 0.1 Å，表明鲁米诺与TPE组成的供体-受体对具有相同的Förster距离；进一步地，通过共振能量转移公式E = (R0/r)j / [(R0/r)j +1]（其中R0是E = 50%时的供体-受体距离，j是距离依赖系数）计算出距离依赖系数j = 6.0 ± 0.1，与Förster共振理论一致。

图2. AIE胶束环境下不同浓度的鲁米诺化学发光光谱。

该工作首次实现了CRET过程的定量测定：即CRET效率与供体-受体距离的六次方成反比，对CRET的机理研究和CRET的多学科应用起到促进作用。

这一成果发表在Angew. Chem. Int. Ed.上，文章的第一作者是北京化工大学硕士研究生娄金辉和唐晓芳，通讯作者是北京化工大学化学学院的管伟江副教授和吕超教授。