《熒光染料及其生物醫(yī)學應用》是先進化工材料關鍵技術叢書的一個分冊。
熒光染料是精細化工產品的一個重要分支，是具有高附加值和實用價值的功能性染料。本書凝結了作者們在熒光染料設計和應用等方面多年的理論研究和實踐經驗，是多項國家和省部級科技成果的結晶。本書從熒光現象和熒光發(fā)光原理入手，回顧了熒光染料的發(fā)現與發(fā)展，介紹了不同識別對象的熒光染料以及它們在生物標記、醫(yī)學診斷和疾病治療等方面的應用，展望了相關染料的發(fā)展趨勢和前景。包括：緒論，熒光染料概述，細胞器染色熒光染料， 細胞環(huán)境敏感熒光染料，細胞內離子成像用熒光識別染料，生物活性小分子熒光識別染料，生物酶熒光識別染料，核酸熒光識別染料，蛋白的熒光識別和標記技術，熱激活延遲熒光染料，超分辨成像熒光染料，熒光分子前藥，光觸發(fā)治療用光敏染料。
《熒光染料及其生物醫(yī)學應用》內容全面、專業(yè)性強，在取材方面力求前沿性、系統(tǒng)性。適應于染料開發(fā)和應用的科技人員閱讀，以及高等院校化工、材料等專業(yè)師生學習參考。
通過染料激發(fā)態(tài)釋能過程的有效調控即可實現不同特殊功能或應用性能，在材料、信息、生物醫(yī)學等諸多領域的應用前景廣泛。其中，熒光染料已成為生物醫(yī)學研究的重要工具，應用于活細胞及體內分子熒光成像和疾病診斷，如DNA分析、癌癥診斷、免疫分析等。
本書是多項國家和省部級科技獎勵、國內外專利和成果轉化等成果的結晶。如獲得國家自然科學二等獎的熒光染料識別與響應調控的理論與應用基礎研究、獲得國家技術發(fā)明二等獎的血液細胞熒光成像染料的創(chuàng)制及應用、 獲得中國石油和化學工業(yè)聯(lián)合會技術發(fā)明一等獎的生物熒光成像染料及應用等。
自1857年Perkin 合成苯胺紫至今，合成染料工業(yè)蓬勃發(fā)展。20世紀以來我國逐步發(fā)展成為傳統(tǒng)紡織染料的生產和使用大國。與傳統(tǒng)染料主要關注染料的顏色行為不同，熒光染料更關注發(fā)光。當染料吸收入射光的能量，從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)可通過熱能散發(fā)、熒光發(fā)射、電子轉移和光化學反應等多種過程釋放能量回到基態(tài)�？梢�，通過染料激發(fā)態(tài)釋能過程的有效調控即可實現不同特殊功能或應用性能，在材料、信息、生物醫(yī)學等諸多領域的應用前景廣泛。其中，熒光染料已成為生物醫(yī)學研究的重要工具，應用于活細胞及體內分子熒光成像和疾病診斷，如DNA分析、癌癥診斷、免疫分析等。我國生物醫(yī)用熒光染料的發(fā)展剛剛起步，具有巨大的發(fā)展空間。生命健康領域急需新型的、性能優(yōu)異的熒光探針試劑和診療手段來打破國外的技術壟斷，如基因測序熒光染料、熒光手術導航染料和光/聲治療染料等。因此，新型熒光染料正推動染料工業(yè)形成新的歷史跨越，對促進我國染料及相關產業(yè)的轉型發(fā)展具有重要意義。
本書是多項國家和省部級科技獎、國內外專利和成果轉化等的結晶。如獲得國家自然科學二等獎的熒光染料識別與響應調控的理論與應用基礎研究、獲得國家技術發(fā)明二等獎的血液細胞熒光成像染料的創(chuàng)制及應用、 獲得中國石油和化學工業(yè)聯(lián)合會技術發(fā)明一等獎的生物熒光成像染料及應用等。本書主要內容共分十三章，由大連理工大學彭孝軍和樊江莉負責框架設計、草擬寫作提綱及統(tǒng)稿。參與本書編寫的有來自不同單位的近30位專家學者。他們都是奮戰(zhàn)在一線的科研工作者，書中的許多經典實例都是他們的心血之作。因此，他們的前沿成果和獨特視角是本書的特色和基礎。章和第二章主要介紹了熒光的基本原理和熒光染料的發(fā)展歷程，由陳鵬忠（大連理工大學）、楊有軍（華東理工大學）、郭穎華（華東理工大學）、羅瀟（華東師范大學）撰寫；第三章介紹的是細胞器染色熒光染料，由王魁、馮北斗、仉華（河南師范大學）撰寫；第四章介紹了熒光染料在示蹤細胞內微環(huán)境中的應用，由王本花和宋相志（中南大學）撰寫；第五章和第六章介紹的是熒光染料對生物體內離子和活性小分子的識別檢測，由杜健軍、孫文、胡巧（大連理工大學）和張博宇（大連醫(yī)科大學）撰寫；第七章至第九章介紹熒光染料對生物大分子的識別和標記，由陳小強（南京工業(yè)大學）、張新富（大連理工大學）、肖義（大連理工大學）、陳令成（大連理工大學）、魏廷文（南京工業(yè)大學）、江龍（南京工業(yè)大學）和葉智偉（大連理工大學）撰寫；第十章介紹新型熱激活延遲熒光染料及其應用，由宋鋒玲（山東大學）和陳文龍（大連理工大學）撰寫；第十一章介紹了超分辨熒光技術，由徐兆超、喬慶龍、陳婕、周偉、劉文娟和房香凝（中國科學院大連化學物理研究所）撰寫；第十二章和第十三章對熒光介導光療技術展開了討論，由樊江莉、楊明旺、趙學澤和鄒楊（大連理工大學）撰寫。
本書作者盡所能呈現熒光染料及生物醫(yī)學應用的研究進展，但限于時間和水平，書中也難免存在不足和疏漏之處，敬請讀者批評指正。本書的研究工作得到國家自然科學基金、國家重點基礎研究發(fā)展計劃（973計劃）、國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）、國家科技支撐計劃、國家重點研發(fā)計劃等項目的支持，特此感謝！
著者
2021年8月
彭孝軍，中國科學院院士。精細化工專家。大連理工大學化工學院院長，精細化工國家重點實驗室主任。兼任中國化工學會日用化學品專業(yè)委員會主任、中國石油和化學工業(yè)聯(lián)合會高端化學品專業(yè)委員會專家委員會主任。1962年生。1982年畢業(yè)于大連工學院化工系，1986年在大連工學院精細化工專業(yè)獲得碩士學位，1990年在大連理工大學精細化工專業(yè)獲得博士學位。1990～1992年為南開大學有機化學專業(yè)博士后。隨后回到大連理工大學任教。2001～2002年間在瑞典斯德哥爾摩大學有機化學系和美國西北大學化學系作訪問學者。2007年獲得國家杰出青年科學基金、同年入選*長江學者獎勵計劃特聘教授，2008年被評為全國化工優(yōu)秀科技工作者，2016年獲全國優(yōu)秀科技工作者稱號，2020 年獲全國創(chuàng)新爭先獎。作為完成人，獲2013年國家自然科學二等獎和2006年國家技術發(fā)明二等獎。多年入選全球高被引科學家。2017年當選中國科學院院士。主要從事精細化工和有機智能光學材料的研究，包括有機光學信息材料、EUV和彩色光刻膠、生物熒光探針、醫(yī)學診療試劑。其中研發(fā)了用于納思達股份有限公司的噴墨打印染料墨水，該公司年產通用墨盒已達6500萬套，出口率在80%以上，形成了國際認可的自主技術體系；所研發(fā)的血液細胞熒光試劑，創(chuàng)制了深圳邁瑞生物醫(yī)療電子股份有限公司全自動五分類血細胞分析系統(tǒng)，血細胞分析系統(tǒng)已成為我國少數具有自主知識產權的大型高端臨床基礎設備，出口九十多個國家。彭孝軍為我國在該領域從被壟斷發(fā)展到國際強國做出了重要貢獻。樊江莉，大連理工大學教授，博士生導師。國家杰出青年基金、優(yōu)秀青年基金獲得者，入選第三批國家萬人計劃領軍人才、青年長江學者名單�？蒲泄ぷ鲊@染料結構與性能關系研究，提出了增強型光誘導分子內電子轉移機理；創(chuàng)制了腫瘤標志物、核酸等系列熒光識別染料；發(fā)展出系列熒光染料產品，在血液細胞分群等領域得到了產業(yè)化應用。發(fā)表SCI收錄論文200余篇，授權國內外發(fā)明專利70項。擔任Chinese Chemical Letters、Engineering、《應用化學》等學術期刊青年編委，2021年起任Dyes and Pigments、Scientific Reports編委。參與國家自然科學基金委化工學科中長期及十四五戰(zhàn)略研究報撰寫。科研成果曾獲國家自然科學二等獎（3/5）1項、國家技術發(fā)明二等獎2項、省部級技術發(fā)明獎3項。2020年榮獲中國青年科技獎、中國石油和化學工業(yè)聯(lián)合會優(yōu)秀科技工作者稱號。
章 緒論 001
節(jié) 熒光和磷光的發(fā)展概述 002
第二節(jié) 熒光和磷光產生的機理 004
一、非輻射躍遷 005
二、輻射躍遷 007
三、常見的描述熒光性質的物理量 008
四、影響熒光和磷光的主要因素 008
參考文獻 010
第二章 熒光染料概述 011
節(jié) 常見的熒光染料 012
一、香豆素類衍生物 012
二、熒光素類衍生物 014
三、羅丹明類衍生物 014
四、二酰亞胺類衍生物 016
五、花菁類染料 016
六、卟啉類染料 017
七、氟硼類染料 017
第二節(jié) 近紅外熒光染料分子設計規(guī)則 018
一、D--A母核的必要性 019
二、D--A結構中的HOMO-LUMO能級差的調控 023
三、D--A骨架的剛性化 025
四、D--A結構的空間保護 025
第三節(jié) 熒光染料技術展望 027
參考文獻 028
第三章 細胞器染色熒光染料 033
節(jié) 概述 035
第二節(jié) 細胞膜染色熒光染料 036
一、細胞膜的生物醫(yī)學功能 036
二、細胞膜染色熒光染料及其應用 037
第三節(jié) 線粒體染色熒光染料 039
一、線粒體的生物醫(yī)學功能 039
二、線粒體染色熒光染料及其應用 040
第四節(jié) 溶酶體染色熒光染料 043
一、溶酶體的生物醫(yī)學功能 044
二、溶酶體染色熒光染料及其應用 044
第五節(jié) 高爾基體染色熒光染料 047
一、高爾基體的生物醫(yī)學功能 048
二、高爾基體染色熒光染料及其應用 048
第六節(jié) 內質網染色熒光染料 051
一、內質網的生物醫(yī)學功能 052
二、內質網染色熒光染料及其應用 052
第七節(jié) 細胞核染色熒光染料 056
一、細胞核的生物醫(yī)學功能 056
二、細胞核染色熒光染料及其應用 057
參考文獻 058
第四章 細胞環(huán)境敏感熒光染料 063
節(jié) 極性敏感熒光染料 064
一、基于萘酰亞胺基團的極性敏感熒光染料 064
二、基于香豆素基團的極性敏感熒光染料 065
三、基于尼羅紅類的極性敏感熒光染料 067
四、基于萘類的極性敏感熒光染料 068
第二節(jié) 溫度敏感熒光染料 069
一、基于有機小分子的溫度敏感熒光染料 069
二、基于聚合物大分子的溫度敏感熒光染料 071
三、基于納米材料的溫度敏感熒光染料 072
第三節(jié) 黏度敏感熒光染料 074
一、基于BODIPY的黏度敏感熒光染料 075
二、基于DCVJ的黏度敏感熒光染料 077
三、基于花菁類的黏度敏感熒光染料 078
第四節(jié) pH敏感熒光染料 080
一、基于氨基可逆質子化的pH敏感熒光染料 080
二、基于N-雜環(huán)質子化的pH敏感熒光染料 082
三、基于酚類的pH敏感熒光染料 083
四、基于羅丹明開環(huán)的pH敏感熒光染料 084
第五節(jié) 環(huán)境敏感熒光染料在生物醫(yī)學應用中的展望 087
參考文獻 087
第五章 細胞內離子成像用熒光識別染料 093
節(jié) 堿金屬離子及堿土金屬離子熒光識別染料 094
一、鈣離子熒光識別染料 094
二、鎂離子熒光識別染料 095
三、鈉離子熒光識別染料 098
四、鉀離子熒光識別染料 100
第二節(jié) 生物體內主要過渡金屬離子熒光識別染料 101
一、鋅離子熒光識別染料 102
二、鐵離子及亞鐵離子熒光識別染料 104
三、銅離子熒光識別染料 106
第三節(jié) 陰離子熒光識別染料 108
一、鹵素離子熒光識別染料 109
二、（焦）磷酸根離子熒光識別染料 111
第四節(jié) 有害重金屬離子熒光識別染料 113
一、汞離子熒光識別染料 113
二、鎘離子熒光識別染料 115
三、鉛離子熒光識別染料 115
四、鈀離子熒光識別染料 116
參考文獻 118
第六章 生物活性小分子熒光識別染料 125
節(jié) 活性氧物種熒光識別染料 126
一、單線態(tài)氧熒光識別染料 127
二、過氧化氫熒光識別染料 129
三、超氧陰離子熒光識別染料 132
四、羥基自由基熒光識別染料 134
五、次氯酸熒光識別染料 137
六、過氧亞硝酸鹽熒光識別染料 139
第二節(jié) 生物硫醇類化合物熒光識別染料 140
一、半胱氨酸和高半胱氨酸熒光識別染料 141
二、谷胱甘肽熒光識別染料 146
第三節(jié) 生物氣體熒光識別染料 151
一、一氧化氮熒光識別染料 152
二、硫化氫熒光識別染料 157
三、一氧化碳熒光識別染料 162
參考文獻 164
第七章 生物酶熒光識別染料 173
節(jié) 概述 174
第二節(jié) 氧化還原酶熒光識別染料 175
一、環(huán)氧化酶熒光識別染料 175
二、酪氨酸酶熒光識別染料 179
三、硝基還原酶熒光識別染料 183
四、單胺氧化酶熒光識別染料 187
五、過氧化物酶熒光識別染料 192
第三節(jié) 轉移酶熒光識別染料 195
一、谷氨酰轉移酶熒光識別染料 195
二、硫酸基轉移酶熒光識別染料 198
三、甲基轉移酶熒光識別染料 199
第四節(jié) 水解酶熒光識別染料 202
一、蛋白水解酶熒光識別染料 202
二、羧酸酯水解酶熒光識別染料 207
三、磷酸酯酶熒光識別染料 209
四、糖苷水解酶熒光識別染料 211
參考文獻 213
第八章 核酸熒光識別染料 219
節(jié) 核酸的基本特征 220
第二節(jié) 染色基本原理及類別 220
一、靜電作用 221
二、溝槽結合模式作用 221
三、嵌入式作用 222
第三節(jié) DNA熒光染料 222
一、堿性DNA染料 222
二、陽離子型染料 223
三、其他類型染料 229
第四節(jié) RNA熒光染料 230
第五節(jié) G四聯(lián)體熒光染料 233
一、DNA G四聯(lián)體熒光染料 233
二、RNA G四聯(lián)體熒光染料 240
第六節(jié) 基于核酸染色的多功能熒光探針 242
一、細胞核超分辨探針 242
二、細胞核微環(huán)境探針 247
參考文獻 249
第九章 蛋白的熒光識別和標記技術 253
節(jié) 蛋白特異性標記技術概述 254
第二節(jié) 小分子配體標記 255
一、標記細胞骨架的熒光探針 255
二、磺酰脲類標記鉀離子ATP通道蛋白探針 257
第三節(jié) 多肽標簽標記 258
一、雙砷染料-四半胱氨酸多肽設計以及類似工作 259
二、隨機篩選特異性結合染料的多肽標簽 262
第四節(jié) 自修飾酶標簽標記 263
一、SNAP Tag 263
二、Halo Tag 267
第五節(jié) 核酸適配體標記 269
第六節(jié) 總結與展望 270
參考文獻 271
第十章 熱激活延遲熒光染料 273
節(jié) 熱激活延遲熒光染料的結構與光譜性質 274
一、熱激活延遲熒光的概念及發(fā)光過程機理 274
二、延遲熒光染料的基本物理參數 276
三、延遲熒光染料分子結構和設計原則 278
第二節(jié) 生物熒光成像用熱激活延遲熒光染料 284
一、可直接應用于生物體系的熒光素類TADF分子 286
二、不能直接應用于生物體系的TADF分子 288
三、可直接應用于生物體系的其他類TADF分子 291
第三節(jié) 診療一體化用熱激活延遲熒光染料 293
第四節(jié) 熱激活延遲熒光染料生物醫(yī)學應用的展望 295
參考文獻 296
第十一章 超分辨成像熒光染料 301
節(jié) 概述 302
第二節(jié) 超分辨成像技術 303
第三節(jié) 超分辨成像熒光染料 304
一、STED超分辨成像熒光染料 306
二、SMLM超分辨成像熒光染料 313
第四節(jié) 總結和展望 321
參考文獻 322
第十二章 熒光分子前藥 325
節(jié) 概述 326
第二節(jié) 還原性硫醇激活前藥體系 327
第三節(jié) 過氧化氫激活前藥體系 330
第四節(jié) 酶激活前藥體系 332
第五節(jié) 酸性pH激活前藥體系 335
第六節(jié) 光激活前藥體系 337
參考文獻 339
第十三章 光觸發(fā)治療用光敏染料 343
節(jié) 概述 344
第二節(jié) 光動力治療用光敏染料 344
一、Ⅱ型機理光敏劑 346
二、Ⅰ型機理光敏劑 365
三、臨床光敏藥物 369
第三節(jié) 光熱治療用光敏染料 371
一、卟啉類 372
二、七甲川菁類 375
三、酞菁類 378
四、吡咯并吡咯二酮類 380
五、克酮酸類 382
六、BODIPY類 385
參考文獻 387
索引 395
書單推薦
