综述：基于咔唑骨架的近红外荧光探针在生物成像领域的研究进展

《Journal of Molecular Structure》：Research progress on a near-infrared fluorescence probe composed of carbazole skeleton for biological imaging

荧光成像技术为生物医学研究提供关键工具，近红外（NIR）荧光成像因深层组织穿透和低背景干扰特性备受关注。本文系统综述了基于卡巴唑（carbazole）衍生物的NIR荧光探针设计策略，包括分子内电荷转移（ICT）、扭曲ICT（TICT）、荧光共振能量转移（FRET）和光诱导电子转移（PET）机制，重点分析其通过结构修饰实现聚集诱导发光（AIE）特性及在生物成像中的应用。研究指出，通过优化供体-受体结构、引入刚性构筑单元及表面功能化可提升探针稳定性与靶向性，拓展其在细胞器标记、肿瘤诊疗和实时分子检测中的潜力。

　　在现代生物医学研究中，荧光成像技术已成为不可或缺的非侵入式工具。这项技术通过可视化疾病组织，超越了人眼的观察能力，从而帮助研究人员更清晰地区分健康组织与病理组织。与传统成像方法相比，近红外（NIR）荧光成像技术在多个方面展现出显著优势。传统荧光成像方法通常受到组织对光的强烈吸收和散射的影响，同时还会产生背景自荧光，这些因素限制了其在深层组织成像中的应用。而NIR荧光成像能够穿透更深的组织层，提供更高的时间和空间分辨率，因此在生命科学、医学诊断、图像引导手术以及药物开发等多个领域得到了广泛应用。

近年来，咔唑衍生物因其出色的光物理性质、化学稳定性和合成灵活性，被广泛认为是荧光成像的潜在材料。尽管咔唑在有机发光二极管等光电子领域得到了深入研究，但在生命科学领域的应用仍相对有限。这主要是由于传统咔唑衍生物的发射波长较短（通常在368纳米左右），并且其生物相容性不足。为了解决这些问题，研究者们开始关注如何通过结构修饰，开发具有扩展NIR发射的咔唑基荧光探针，以提高其在生物传感、生物成像和诊疗一体化（theranostics）中的应用效果。

咔唑是一种含氮的杂环芳香化合物，最早于1872年由Graebe和Glaser在煤焦油中发现。随着科学技术的发展，咔唑及其衍生物已广泛应用于生物制药、太阳能电池、有机发光二极管（OLED）以及荧光传感器等多个领域。其广泛应用的原因包括：容易获得的前体物质、良好的热稳定性、结构易于修饰、优异的光物理性能以及良好的生物活性。然而，传统的咔唑基荧光探针在实际应用中仍然面临一些挑战，例如较小的斯托克斯位移（Stokes shift）、较低的发光效率、容易发生聚集导致的荧光淬灭（ACQ）现象，以及在生物应用中出现的信号与噪声比低、选择性差和水溶性不足等问题。这些问题严重限制了咔唑基探针在复杂生物系统中的实际应用效果。

为了解决上述问题，近年来研究者们主要采用结构修饰策略，开发具有聚集诱导发光（AIE）特性的NIR探针。AIE是一种独特的光物理现象，当分子发生聚集或形成固态时，其荧光强度反而会增强，而不是减弱。这种特性使得咔唑基探针在固态下能够表现出更优异的发光性能，同时提高了其光稳定性，并将发射波长扩展至NIR区域。通过引入特定的官能团或调整分子结构，研究者能够有效抑制ACQ效应，从而实现更高效的NIR发射。这一策略不仅改善了咔唑基探针在生物成像中的表现，还为其在高分辨率生物成像和传感中的应用提供了新的可能性。

此外，为了进一步提高咔唑基NIR探针的生物相容性和选择性，研究者们还探索了多种分子设计策略。例如，通过在咔唑核心上引入特定的官能团或调整其空间结构，可以增强探针对特定生物分子（如离子、酶或细胞器）的识别能力。同时，这些结构修饰还能改善探针的水溶性，使其更适合于生物体内的应用。一些研究还表明，咔唑基探针可以通过改变其分子构型，实现对不同生物目标的特异性响应，从而提高成像的准确性和灵敏度。

目前，咔唑基NIR探针的设计主要集中在以下几个方面：首先，通过调控咔唑的电子供体和受体结构，优化其光物理性能，使其在NIR区域表现出更强的荧光信号；其次，通过引入特定的官能团，增强探针的生物相容性，减少其对生物组织的潜在毒性；第三，利用分子间的相互作用（如π-π堆积、疏水作用等），提高探针在复杂生物环境中的稳定性和特异性；最后，通过调整探针的结构，使其能够适应不同的生物成像需求，如细胞器靶向、活体肿瘤可视化以及生物活性分子的实时追踪等。

在实际应用中，咔唑基NIR探针已经被广泛用于多种生物成像场景。例如，在细胞成像方面，这些探针能够特异性地靶向细胞内的特定结构，如线粒体、溶酶体或细胞核，从而提供高分辨率的细胞内部图像。在活体成像方面，咔唑基探针可以用于肿瘤的可视化，帮助研究人员更准确地定位和监测肿瘤的生长情况。此外，这些探针还被用于实时追踪生物活性分子，如酶、离子或蛋白质，从而为疾病诊断和治疗提供重要信息。

尽管咔唑基NIR探针在生物医学领域展现出巨大的潜力，但目前的研究仍处于发展阶段，需要进一步优化其性能，以满足更广泛的应用需求。例如，如何提高探针的水溶性和生物相容性，如何增强其在复杂生物环境中的选择性和灵敏度，以及如何实现更高效的NIR发射等，都是当前研究的重点方向。此外，还需要进一步探索咔唑基探针在不同生物系统中的适用性，以及其在临床转化中的可行性。

总的来说，咔唑基NIR探针的开发和应用为生物医学研究提供了新的工具和方法。通过合理的分子设计和结构修饰，这些探针能够在生物成像、疾病诊断和治疗等方面发挥重要作用。未来的研究应继续关注如何进一步提升其性能，拓展其应用范围，并推动其在临床实践中的转化。这不仅有助于提高生物医学研究的效率和准确性，也将为人类健康带来更大的益处。