近日，我校化学与分子工程学院朱为宏院士、郭志前教授团队在氧气驱动化学发光新范式研究中取得重要进展。团队创新性提出“氧气驱动的[2+2]光环加成化学发光”设计新策略，构建了一系列具有高生物相容性的红宝石系列（Rubines）化学发光新染料，实现了脑部疾病等进程在体超高灵敏度可视化追踪。相关研究成果以“Oxygen-driven [2+2] photocycloaddition for in vivo chemiluminescence”为题在线发表于《美国化学会志》。
理念颠覆：从依赖“活性氧”到拥抱“分子氧气”
高能环状过氧化物是驱动化学发光过程的核心化学能来源。然而，传统化学发光底物是“一把双刃剑”——它们通常极度依赖与活性氧（ROS）发生氧化反应来生成四元环（环状过氧化物）。由于活体内的底物极易受到复杂环境的干扰，这在很大程度上限制了其在细胞及活体检测中的推广应用。
相比之下，自然界的生物发光体系（如萤火虫）之所以被视为高生物相容性在体检测的“天花板”，正是因为它们能在萤光素酶催化下，直接利用生物体内的常规氧气生成四元环。如何在生理环境中，摆脱复杂的酶催化，通过“纯化学手段”直接利用氧气驱动发光？这成为了化学发光领域长期以来亟待突破的“卡脖子”科学问题。
机制破局：电子活化与限域催化协同“锁住”高能四元环
针对这一挑战，朱为宏院士、郭志前教授团队打破常规，提出了基于氧气与烯烃之间 [2+2]光环加成反应直接生成环状过氧化物的全新策略，在化学体系中成功复刻了生物发光的“核心精髓”。
为了解决光环加成过程中烯烃选择性活化困难、激发态中间体寿命极短等关键瓶颈，团队展开了精妙的分子构筑。一是电子效应活化烯烃：通过理性设计引入富电子取代基，精准实现了对底物烯烃的选择性活化；二是限域微环境延长寿命：巧妙借助生物体内丰富的内源性蛋白，为其提供独特的“限域微环境”，有效抑制了激发态烯烃的转动弛豫过程，显著延长了其激发态寿命。
图片说明：[2+2]光环加成驱动化学发光机制示意图
在电子效应与限域催化的完美协同下，全新设计的[2+2]环化加成反应展现出惊人的普适性——无需任何外加光引发剂，即可在生理条件下高效进行。基于该“氧气驱动”新理念设计的红宝石系列（Rubines）化学发光染料家族展现出优异的在体发光性能，其发光表现可直接媲美经典生物发光萤光素体系，不仅能让反应体系变得极度简便，更将生物相容性提升到了全新高度。
图片说明：脑部活体成像： Rubines化学发光染料实现了在体评估血脑屏障（BBB）完整性的重要突破
研究团队将Rubines染料应用于严苛的脑部活体成像，实现了在体评估血脑屏障（BBB）完整性的重大突破。血脑屏障破坏是多种重大脑疾病的早期核心病理特征，Rubines染料凭借独特的“常规氧气驱动”机制，彻底摆脱了脑部背景干扰和对ROS氧化发光的依赖，开辟了氧气驱动发光新范式；其展现出超高灵敏度的可视化追踪能力，能够精准、实时逆向评估血脑屏障的受损与修复进程，为复杂生理环境下的精准传感与疾病监测提供了全新的分子平台。
该工作主要由我校化学与分子工程学院张玉涛特聘副研究员完成，郭志前教授为通讯作者，并得到了朱为宏院士悉心指导。研究过程得到了上海科技大学刘伟民教授、海南大学池伟杰教授给予的重要帮助。该工作依托材料生物学与动态化学教育部前沿科学中心、费林加诺贝尔奖科学家联合研究中心及光敏产品研究中心等平台开展，并得到了国家重点研发计划专项、国家杰出青年科学基金等项目的资助。
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.6c07700
