一、摘要

热激活延迟荧光（TADF）材料因发光寿命长、荧光量子产率（FLQY）高等优势，在生物医学领域展现出巨大应用潜力。但目前已开发的多数 TADF 材料水溶性差，成为其直接应用于生物领域的重要限制。为解决该难题并拓展其生物应用范围，水溶液中 TADF 材料的合成成为近年来的关键研究方向。本综述聚焦水溶液中 TADF 材料在生物医学应用的最新研究进展，从 TADF 材料的分类出发，总结其构建策略、性能调控方式及生物医学应用。首先依据水溶液中实现 TADF 的不同方法，将构建策略分为基质限制法、自组装法和聚集诱导法三类，探讨了发射波长、发光寿命、荧光量子产率等关键光物理性质的调控手段；随后阐述了该类材料在生物成像、光动力治疗和生物传感中的作用原理与最新进展；最后梳理了水溶液中 TADF 材料在生物医学领域面临的未来挑战与发展机遇，为其合理设计和广泛应用提供思路。

二、研究背景

热激活延迟荧光（TADF）材料具有极小的单重态 - 三重态能隙（ΔE_ST），可通过反向系间窜越（RISC）实现理论上 100% 的内量子效率，在光电子材料、生物成像、传感等领域应用潜力显著。其可调的发射波长、优异的光学特性、高荧光量子产率及良好的生物相容性，使其成为生物医学应用的理想候选材料，尤其是延迟荧光特性能有效降低自发荧光干扰，提升成像信噪比，在时间分辨荧光成像中具备独特优势。

TADF 材料的高效发光源于激子自旋态调控的能量转换机制，紫外光激发下电子经多路径跃迁产生荧光、室温磷光和 TADF，ΔE_ST 小于 0.2 eV 是实现高效 RISC 的关键。目前 TADF 材料主要分为有机小分子和碳点基材料，但其普遍存在水溶性差、非辐射跃迁速率高、易受水和氧猝灭导致延迟荧光寿命短的问题，而生物医学应用对材料的水溶性、生物相容性和光学性能均有严苛要求，因此开发具备生物相容性、长寿命且光学性能稳定的水系 TADF 材料成为研究重点。现有综述多聚焦 TADF 材料的整体设计与应用，针对水相体系中 TADF 实现策略的系统性综述仍较为缺乏，本综述就此展开系统梳理，为水系 TADF 材料的生物医学应用研究提供支撑。

三、研究进展

3.1 TADF 材料分类

TADF 材料可按发光单元连接方式分为给体 - 受体（D-A）型、多重共振型和空间电荷转移型，按化学组成主要分为有机小分子和碳点（CDs）基材料，两类材料均通过调控电子结构实现小 ΔE_ST，借助高效 RISC 完成三重态激子的活化与循环。有机小分子材料分子结构设计性强、性能可调，核心是通过分子内电荷转移（ICT）实现 HOMO 与 LUMO 的空间分离以降低 ΔE_ST，主流为 D-A 结构，按给体单元可分为三苯胺、咔唑、吖啶、吩噻嗪、联苯衍生物等，还包括四苯乙烯等特殊给体，不同给体因电子结构差异展现出不同的光电特性，适配不同发光需求。碳点基材料具备丰富的表面官能团和良好的生物相容性，无明确共价 D-A 结构，需通过表面态工程或杂原子掺杂实现小 ΔE_ST，通常将碳点包封在刚性网络基质中，隔绝水和氧的猝灭作用，稳定光学性能，是极具潜力的生物医学用 TADF 材料体系。

3.2 水溶液中 TADF 材料的制备策略

3.2.1 基质限制法

将 TADF 发光体嵌入基质形成刚性微环境，隔绝水和氧，抑制非辐射衰减，按基质类型分为有机小分子、聚合物纳米颗粒和二氧化硅纳米球。有机小分子基质可形成强共价键和氢键，提升水溶性与发光效率；聚合物纳米颗粒如聚苯乙烯、两亲性聚合物（DSPE-PEG2000、PSMA）可形成核壳结构，增强光稳定性；二氧化硅通过溶胶 - 凝胶法与 TADF 分子形成共价键和氢键，提供刚性环境，该方法是目前制备水系 TADF 材料最有效的策略。

3.2.2 自组装法

利用氢键、疏水作用等非共价相互作用，使 TADF 分子自发形成有序结构，疏水基团聚集在核内，极性基团暴露在表面，既保护发光核心又提升水溶性，无需额外基质即可实现 TADF 分子在水相的分散，为生物成像和治疗奠定基础，但水相结构稳定性仍需提升。

3.2.3 聚集诱导法

结合聚集诱导发光（AIE）与 TADF 机制，TADF 分子在分散态时分子运动活跃，非辐射弛豫占主导，聚集态下分子运动受限，抑制过度自旋 - 轨道耦合（SOC）导致的非辐射衰减，降低 ΔE_ST、增强 RISC，实现延迟荧光增强，可通过调控聚集程度定制光物理性质，但聚集态的可控性较差。

3.3 TADF 材料的性能调控

SOC 和 ΔE_ST 是调控 TADF 效率的核心，适度增强 SOC、减小 ΔE_ST 可提升反向系间窜越速率（k_RISC），而水溶液的极性会增强 ICT 效应并间接提升 SOC，易导致非辐射衰减，因此需实现 SOC 的适度调控。发射波长可通过分子结构设计调控，选择强给 / 受体、引入取代基、调整掺杂比例，改变 HOMO-LUMO 能隙，实现从可见光到近红外的全光谱覆盖，提升深层组织成像能力；发光寿命主要受发光体掺杂浓度和卤素掺杂影响，低掺杂浓度可避免分子聚集猝灭，氟等卤素掺杂通过重原子效应增强 SOC，延长发光寿命；荧光量子产率与掺杂浓度密切相关，过高的掺杂浓度会引发分子聚集，导致量子产率下降，同时需平衡 RISC 效率与非辐射衰减，适配不同生物医学应用需求。

3.4 生物医学应用

3.4.1 生物成像

TADF 材料无重金属毒性、发光寿命长，可应用于单光子、多光子和时间分辨荧光成像。单光子成像灵敏度高，可实现细胞内及特定细胞器的靶向成像；多光子成像利用飞秒激光激发，组织穿透深度深、光损伤小，适配深层组织成像；时间分辨荧光成像通过时间门控检测，有效区分 TADF 探针信号与生物自发荧光，提升成像信噪比，已实现细胞和活体动物水平的成像应用。

3.4.2 光动力治疗（PDT）

TADF 材料的三重态激子可与生物环境中的氧发生能量转移，生成具有细胞毒性的单线态氧（¹O₂），实现肿瘤细胞的杀伤。部分 TADF 材料具备近红外发射和双光子激发特性，可提升治疗的组织穿透深度和精准性，在体外细胞和体内肿瘤模型中均展现出良好的治疗效果，是新型的无金属光敏剂候选材料。

3.4.3 生物传感

基于 TADF 材料的光学性能对温度、氧等环境因素的敏感性，可实现生物体系中温度、氧和特定小分子（如循环肿瘤 DNA,ctDNA）的检测。温度通过调控分子热运动影响 RISC 效率，氧会猝灭三重态激子，二者均与 TADF 材料的荧光强度、寿命呈定量关系；通过与特异性探针结合，可实现 ctDNA 的超灵敏检测，为疾病早期诊断提供支撑。（字数：1987）

四、总体结论

TADF 材料凭借高荧光量子产率、良好的生物相容性、可调的发射颜色、抗自发荧光干扰及对温氧的敏感性，成为生物医学领域的新型材料，为其在生物成像、光动力治疗和生物传感中的应用奠定了坚实基础。本综述将 TADF 材料分为有机小分子和碳点基材料，其中碳点基材料因制备简便、表面官能团丰富，成为极具潜力的研究方向；系统梳理了水溶液中 TADF 材料的三大构建策略（基质限制、自组装、聚集诱导），均能有效提升材料的水溶性和光学性能，并总结了发射波长、发光寿命、荧光量子产率的核心调控手段，指出长波长、长寿命、高量子产率的 TADF 材料是拓展生物成像应用的关键。

目前水溶液中 TADF 材料的研究虽取得显著进展，但仍面临诸多挑战：一是水相体系中材料的延迟荧光寿命和量子产率偏低，限制了时间分辨荧光成像的应用，需探索新的材料设计和制备策略；二是多数材料的最优发射波长约 600 nm，组织穿透能力有限，需进一步将发射波长拓展至近红外区域；三是在疾病诊疗中的应用仍处于初级阶段，需结合靶向分子和药物负载，实现诊断与治疗的一体化；四是材料的生物降解性和中长期毒性研究不足，全面的生物安全性评价是其临床转化的关键。

尽管存在上述挑战，水溶液中 TADF 材料在生物医学领域仍具有广阔的应用前景和巨大的发展潜力。随着研究的不断深入，高效率、长波长、长寿命的 TADF 材料将不断被开发，有望在生物医学诊断与治疗中发挥重要作用，为人类健康事业做出贡献。（字数：965）

五、图文概览

图 1、TADF 发射机制及水溶液中实现 TADF 的策略示意图。

图 2、有机小分子 TADF 材料的结构示意图。

图 3、（a）Cu,N-CDs@BA 的合成过程示意图及粉末在 285 nm 激光照射下的余辉照片；（b）BNCDs 的合成过程示意图及粉末在 285 nm 激光照射下的余辉照片。

图 4、（a）M-FNCDs 的合成过程示意图、透射电镜图及粉末和水溶液在 470 nm 激光照射下的余辉照片；（b）TPAAQ/CBP 纳米颗粒的组装过程示意图、粒径分布图、透射电镜图及溶液在紫外光照射下的照片。

图 5、（a）4@PS 的透射电镜图；（b）GPDT 胶束的制备过程示意图及透射电镜形貌分析图；（c）NAI-Q-MeOTPA 的合成路线；（d）TPA 或 HMAT 玻璃态有机点的微波合成方案、水溶液在 295 nm 光照下的照片及 HMAT 玻璃态有机点的高分辨透射电镜图；（e）纳米沉淀法制备 TPA-DCPP 纳米颗粒的示意图及相应的透射电镜图。

图 6、（a）F,N-CDs@SiO₂的合成过程示意图、透射电镜图（插图为粒径分布）、结构示意图及水溶液和粉末在白光照射下的余辉照片；（b）m-CDs@nSiO₂的合成过程示意图及水溶液和在罗丹明 B 乙醇溶液中的荧光 / 余辉照片。

图 7、（a）自组装法制备 TPE-AQ 纳米颗粒的示意图；（b）自聚集 TADF 纳米探针 PTZ-MNI 的示意图；（c）两亲性肽与 TADF 分子共组装形成的细胞穿透性纳米颗粒示意图；（d）自组装制备近红外 TADF 纳米颗粒的示意图。

图 8、（a）NID-TPP 的设计示意图，以及 10μM NID-TPP 在不同四氢呋喃体积分数的二甲基亚砜 / 四氢呋喃混合液中的稳态发射光谱、625 nm 处的发射强度、瞬态光致发光衰减曲线，还有不同浓度 NID-TPP 在水体积分数 90% 的二甲基亚砜 / 四氢呋喃混合液中的瞬态光致发光衰减曲线；（b）CPy 在不同水体积分数的四氢呋喃 / 水混合液中的光致发光光谱、归一化光致发光光谱及最大发射峰随水体积分数的变化图。

图 9、（a）通过密度泛函理论计算的 BP-2PXZ、BP-PXZ、BP-2PTZ、BP-PTZ 的前线轨道分布、能级及单重态 - 三重态能隙，以及相应的光致发光光谱；（b）APDC-DTPA 的分子结构；（c）CAT-1 的分子结构、最高占据分子轨道和最低未占据分子轨道分布，以及 CAT-1 在掺杂膜和纯膜中的归一化稳态光致发光光谱；（d）DPOMeBF2-PhB-0.5% 和 DPOMeBF2-PhB-0.2% 在室温下分别于 480 nm 和 469 nm 处的发射衰减曲线；（e）不同掺杂比例的 TPAAQ 纳米颗粒的发光衰减曲线；（f）NCDs 和 FNCDs 在 470 nm 激光照射下的可见光荧光照片；（g）DPOMeBF2-PhB-0.5% 和 DPOMeBF2-PhB-0.2% 在荧光模式和余辉模式下的室温发射光谱；（h）不同 Ir-2 掺杂比例的纳米颗粒的发射光谱（插图为能量转移效率与 Ir-2 掺杂含量的关系）。

图 10、（a）单光子成像的发光机制；（b）多光子成像的发光机制；（c）时间分辨荧光成像的示意图；（d）光动力治疗中活性氧生成原理的示意图。

图 11、（a）与 GPDT 胶束共孵育的肝癌细胞的荧光图像；（b）与 M-FNCDs 共孵育的活海拉细胞的共聚焦激光扫描显微镜共定位图像及相应的荧光强度分布分析；（c）NID-TPP 与线粒体追踪绿色探针对海拉细胞的共染色图像：NID-TPP 的发光图像、线粒体追踪绿色探针的发光图像、明场图像及融合图像；（d）与 HAP-3MeOTPA 玻璃态有机点共孵育的人胚肾 293 细胞的单光子激发和多光子激发荧光图像；（e）近红外 TADF 纳米颗粒的双光子发射特性、细胞双光子荧光图像及与近红外 TADF 纳米颗粒共孵育的人肺腺癌细胞的双光子共聚焦激光扫描显微镜图像。

图 12、（a）HAP-3MeOTPA 玻璃态有机点在荧光素或人血清存在下的时间门控测量，以及 HAP-3MeOTPA 玻璃态有机点光致发光衰减的积分时间；（b）与 F,N-CDs@SiO₂或 F,N-CDs 水溶液共孵育的肝癌细胞的明场、稳态荧光和时间门控延迟荧光图像；（c）与 NID-TPP 共孵育的海拉细胞的时间门控发光图像；（d）与 CPy 有机点共孵育的海拉细胞的共聚焦、明场、融合及荧光寿命图像；（e）注射 CPy 有机点的斑马鱼和未注射的斑马鱼的明场、荧光成像及时间分辨荧光图像；（f）与 TPAAQ/CBP/CPP 纳米颗粒共孵育后的斑马鱼的明场、稳态发光和时间门控发光图像。

图 13、（a）PTZ-MNI 和 PTZ-MNI-O 在海拉细胞中的细胞毒性、活 / 死细胞成像及活性氧生成情况；（b）不同处理组的人肺腺癌细胞的共聚焦激光扫描显微镜图像及细胞随时间的形态变化；（c）不同处理组的人口腔鳞癌细胞荷瘤裸鼠的代表性照片、治疗期间的体重曲线及肿瘤体积曲线；（d）不同处理后 4T1 荷瘤小鼠的肿瘤照片及肿瘤生长曲线；（e）不同处理后人肺腺癌细胞荷瘤小鼠的肿瘤体积、肿瘤重量及荷瘤小鼠照片。

图 14、（a）M-FNCDs 的磷光 / 荧光积分强度比与温度的关系；（b）热响应聚合物在不同温度下的直观表现及星形和线性聚合物的 460 nm/660 nm 发光强度比与温度的关系图；（c）水溶液中 PTZ-ODA 聚合物点的斯特恩 - 沃尔默图及荧光发射对氧气浓度的响应曲线；（d）传感平台对不同目标浓度的电化学发光强度 - 时间响应曲线，以及目标浓度与电化学发光强度增量的关系图（插图为电化学发光强度增量与目标浓度对数的校准图）。

六、作者信息

作者姓名：

Yanjiao Xing, Qiang Li, Lin Chen*, Yongzhen Yang, Shiping Yu, Li Zhang*

通讯作者及单位信息：

Lin Chen*: Key Laboratory of Interface Science and Engineering in Advanced Materials, Ministry of Education, Taiyuan University of Technology, Taiyuan, P. R. China.

1. Yongzhen Yang*: Key Laboratory of Interface Science and Engineering in Advanced Materials, Ministry of Education, Taiyuan University of Technology, Taiyuan, P. R. China.
2. Li Zhang*: Third Hospital of Shanxi Medical University, Shanxi Bethune Hospital, Shanxi Academy of Medical Sciences, Tongji Shanxi Hospital, Taiyuan, P. R. China.

七、论文链接

https://doi.org/10.1002/adfm.202532124

八、版权声明

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