8-羥基喹啉（8-HQ）是一種含氮、氧雙齒配位基團的雜環化合物，可與多種金屬離子（如 Al³⁺、Zn²⁺、Cu²⁺、Ga³⁺、Ir³⁺等）形成穩定的五元螯合環配合物，這類配合物兼具光物理性能可調、生物相容性良好、靶向性易修飾等優勢，在熒光成像、磷光成像、光聲成像等生物醫學成像領域展現出巨大應用潛力，其成像效果取決于金屬離子種類、配體修飾策略及靶向基團的精準性。

一、8-羥基喹啉金屬配合物的結構與光物理特性

8-羥基喹啉的配位位點為羥基氧和喹啉環氮，與金屬離子配位后，配合物的電子結構發生顯著變化，進而調控其發光性能：

熒光型配合物：與主族金屬離子（Al³⁺、Zn²⁺、Ga³⁺）配位時，配合物多表現為熒光發射，發射波長覆蓋紫外-可見-近紅外（UV-Vis-NIR）區域，例如，Al³⁺-8-HQ 配合物的發射峰位于450~550nm（藍綠光區），Zn²⁺-8-HQ配合物的發射峰紅移至500~600nm（黃綠光區），通過引入苯環、萘環等共軛基團，可進一步將發射波長拓展至近紅外區（700~900nm），適配活體深層組織成像。

磷光型配合物：與過渡金屬離子（Cu²⁺、Ir³⁺、Pt²⁺）配位時，重金屬離子的重原子效應增強系間竄越效率，配合物表現為長壽命磷光發射（壽命可達μs~ms級）。這類配合物可有效規避生物組織的自發熒光干擾，實現時間分辨熒光成像，顯著提升成像信噪比。

環境響應特性：多數8-羥基喹啉金屬配合物的發光性能對pH、離子濃度、溫度等微環境敏感。例如，Zn²⁺-8-HQ配合物在酸性條件下（pH＜5.0）熒光淬滅，中性/弱堿性條件下（pH6.5~7.4）熒光恢復，可用于細胞內pH值的實時監測；Al³⁺-8-HQ配合物對細胞內活性氧（ROS）敏感，ROS可氧化配體導致熒光淬滅，適用于ROS的靶向檢測。

二、8-羥基喹啉金屬配合物在生物成像中的核心應用

1. 細胞水平成像：細胞器靶向與生物標志物檢測

8-羥基喹啉金屬配合物可通過引入靶向基團（如線粒體靶向的三苯基膦、溶酶體靶向的嗎啉基團、細胞核靶向的季銨鹽）實現細胞器的精準成像：

線粒體成像：將三苯基膦基團修飾在8-羥基喹啉配體上，與Ir³⁺配位形成的配合物可通過線粒體膜電位差靶向富集，其紅色磷光可清晰勾勒線粒體的形態，實時監測線粒體在細胞凋亡過程中的結構變化。

溶酶體成像：嗎啉修飾的Zn²⁺-8-HQ配合物具有弱堿性，可通過質子化效應靶向溶酶體（酸性細胞器），其綠色熒光可追蹤溶酶體的動態遷移與融合過程。

生物標志物檢測：8-羥基喹啉金屬配合物可作為熒光探針檢測細胞內的生物標志物。例如，Cu²⁺-8-HQ配合物可特異性識別細胞內的谷胱甘肽（GSH），GSH還原Cu²⁺為Cu⁺后，配合物結構解離，熒光從淬滅態轉為發光態，實現GSH的定量成像；Ga³⁺-8-HQ配合物可靶向結合細胞內的β-淀粉樣蛋白（阿爾茨海默病標志物），熒光強度與β-淀粉樣蛋白的聚集程度正相關，適用于早期阿爾茨海默病的細胞模型診斷。

2. 活體水平成像：深層組織成像與腫liu靶向追蹤

近紅外區（700~900nm）的光在生物組織中的散射和吸收損耗最小，可穿透數厘米深度的組織，因此近紅外熒光型8-羥基喹啉金屬配合物是活體成像的優選材料：

深層組織成像：通過在8-羥基喹啉配體中引入共軛稠環結構（如苝酰亞胺、酞菁），與Zn²⁺配位后發射峰可紅移至750nm左右，該波長的光可穿透小鼠腹部組織約2cm，實現對腹腔內器官的成像，例如，修飾了PEG（聚乙二醇）的Zn²⁺-8-HQ稠環配合物，在小鼠體內的血液循環時間延長至12h，可清晰成像肝臟、腎臟的分布與代謝過程。

腫liu靶向成像：利用腫liu組織的EPR 效應（高通透性和滯留效應），將8-羥基喹啉金屬配合物負載于納米載體（如脂質體、介孔二氧化硅）中，可被動靶向富集于腫liu部位；或引入腫liu特異性配體（如葉酸、RGD肽），實現主動靶向成像，例如，葉酸修飾的Al³⁺-8-HQ配合物，可靶向結合腫liu細胞表面的葉酸受體，在荷瘤小鼠模型中，腫liu部位的熒光信號強度是正常組織的5~8倍，成像對比度顯著提升，可用于腫liu的早期診斷與術中導航。

3. 多模態成像：協同診斷提升精準度

單一成像模態存在分辨率低、穿透深度有限等缺陷，將8-羥基喹啉金屬配合物設計為多模態成像探針，可實現熒光/磷光-光聲、熒光-磁共振等多模態成像的協同：

熒光-光聲雙模態成像：8-羥基喹啉與Cu²⁺配位形成的配合物，在近紅外光激發下既產生熒光發射，又因光熱轉換效應產生光聲信號。熒光成像可提供高分辨率的細胞/亞細胞結構信息，光聲成像可實現深層組織的高對比度成像，兩者結合可精準定位腫liu的位置與邊界。

熒光-磁共振雙模態成像：將Gd³⁺（磁共振成像陽性造影劑）與8-羥基喹啉配位，配合物同時具備熒光成像的高靈敏度和磁共振成像的高組織穿透性，在腦部腫liu成像中，可清晰顯示腫liu的大小、形態及與周圍腦組織的邊界，為臨床診斷提供更全面的信息。

三、8-羥基喹啉金屬配合物的成像效果評估指標

成像效果的評估需從靈敏度、特異性、生物相容性、時空分辨率四個核心維度展開，結合體外與體內實驗驗證：

靈敏度與信噪比

體外評估：通過檢測配合物在不同濃度下的熒光/磷光強度，計算檢出限（LOD），優良的探針檢出限應低于μmol/L級別，例如，用于ROS檢測的Al³⁺-8-HQ配合物，對・OH的檢出限可達0.1μmol/L，遠低于細胞內ROS的生理濃度。

體內評估：計算成像區域的信噪比（S/N），即目標組織信號強度與背景組織信號強度的比值。腫liu靶向成像探針的信噪比應≥5，才能有效區分腫liu與正常組織。

特異性與靶向效率

特異性評估：通過競爭實驗驗證，例如在葉酸靶向成像中，過量游離葉酸可阻斷配合物與腫liu細胞的結合，導致熒光信號顯著下降，證明配合物的靶向特異性。

靶向效率評估：計算靶向富集率，即目標組織中配合物的濃度與注射劑量的比值，腫liu靶向探針的富集率應≥10%，才能滿足活體成像需求。

生物相容性與代謝安全性

細胞毒性：通過CCK-8實驗檢測細胞存活率，配合物濃度在100μmol/L以下時，細胞存活率應≥80%，無明顯毒性。

體內代謝：通過ICP-MS檢測配合物在小鼠體內的分布與清除速率，優良的探針應在72h內通過肝臟/腎臟代謝排出，無明顯體內蓄積。

生物安全性：急性毒性實驗中，小鼠的半數致死劑量（LD₅₀）應＞500mg/kg，無明顯臟器損傷。

時空分辨率

時間分辨率：對于動態過程（如細胞內離子濃度變化），配合物的熒光響應時間應＜1s，才能實時捕捉變化過程。

空間分辨率：細胞成像的分辨率應達到亞細胞級別（＜1μm），活體成像的分辨率應≤0.5mm，可清晰分辨組織/器官的細微結構。

四、現存挑戰與優化方向

1. 現存挑戰

水溶性與生物利用度低：純8-羥基喹啉金屬配合物的水溶性較差，易在體內聚集沉淀，影響成像效果并增加毒性風險。

光穩定性不足：部分配合物在強光照射下易發生光降解，導致熒光/磷光強度衰減，無法實現長時間動態成像。

靶向精準度有待提升：被動靶向依賴EPR效應，在腫liu早期或轉移性腫liu中靶向效率較低；主動靶向的配體與受體的結合親和力需進一步增強。

2. 優化方向

水溶性修飾：通過引入親水基團（如PEG、羧基、磺酸基）或負載于納米載體，提升配合物的水溶性與生物相容性，延長血液循環時間。

光穩定性增強：在配體中引入剛性基團（如苯并咪唑、吡啶環），增強配合物的結構穩定性；或引入抗氧化基團（如維生素E），抑制光氧化降解。

靶向策略升級：開發雙靶向探針（如葉酸+RGD肽），同時靶向腫liu細胞表面的多種受體，提升靶向精準度；利用基因工程技術，將配合物與腫liu特異性抗體結合，實現更高特異性的靶向成像。

8-羥基喹啉金屬配合物憑借可調控的光物理性能、靈活的靶向修飾策略，在細胞成像、活體成像、多模態成像等領域展現出獨特優勢，其成像效果可通過靈敏度、特異性、生物相容性等指標進行全面評估。盡管目前存在水溶性、光穩定性等挑戰，但通過分子結構修飾與納米載體技術的結合，這類配合物有望成為新一代精準生物成像探針，推動生物醫學診斷從“定性”向“定量”、從“單一模態”向“多模態協同”發展。

本文來源于黃驊市信諾立興精細化工股份有限公司官網 http://m.hsang.cn/