光扳機的工作原理及其應(yīng)用

林秋寧，楊云龍，方 倩，包春燕，朱麟勇

（華東理工大學(xué) 精細(xì)化學(xué)研究所 結(jié)構(gòu)可控先進功能材料及其制備教育部重點實驗室，上海200237）

“光扳機”分子也稱作“光可去除的保護基團”（photoremovable protecting groups）或“光不穩(wěn)定有機分子”（photolabile organic molecules）和“光籠分子”（photocage），是指一類重要的光響應(yīng)分子，它們受光激發(fā)后能夠發(fā)生分子內(nèi)化學(xué)鍵剪切斷裂（如圖1），并有效釋放被其保護的有機分子或基團［1，2］。由于該類分子最早只是偶爾用于有機合成中的官能團的保護／去保護，并未引起人們的廣泛注意，因此在國際命名上也顯得比較混亂和不統(tǒng)一。在這，我們統(tǒng)一稱其為光扳機（phototrigger）。上世紀(jì)末，該類分子成功應(yīng)用于生物信號分子的光活化，體現(xiàn)出非物理接觸、時空二維可控的得天獨厚的優(yōu)勢，引起了化學(xué)和生物學(xué)界的廣泛關(guān)注，并發(fā)展成為光調(diào)控蛋白、基因、細(xì)胞甚至生物活體行為的一個必不可少的手段。當(dāng)前，該類分子已經(jīng)發(fā)展成為一類非常重要的光響應(yīng)分子，并向生命及材料科學(xué)等其它應(yīng)用領(lǐng)域快速滲透。

圖1 光扳機的工作原理Work mechanism of phototriggers

1 光扳機的基本要求

能發(fā)生光剪切斷裂的分子非常多，但一個具有生物應(yīng)用潛質(zhì)的光扳機分子應(yīng)具備如下的基本條件：1）有效溶解在生理介質(zhì)中，并保持優(yōu)異的暗場和水解穩(wěn)定性；2）激發(fā)波長應(yīng)該大于300nm，以避免對生物活體的光損傷；3）大的摩爾消光系數(shù)，保證對光的充分吸收；4）足夠的光解速度和量子效率；5）清晰、穩(wěn)定的光解路徑和足夠高的光釋放產(chǎn)率；6）光解副產(chǎn)物無明顯的生物毒性，并且它的吸收不能與光扳機分子過于重疊，以保證不干擾光解反應(yīng)。

2 光扳機的種類與基本工作原理

光扳機按照光解類型可以分成兩類：直接光解型光扳機（direct photolysis phototrigger）和敏化光解型光扳機（photosensitized trigger）。直接光解型光扳機是指光扳機吸收特定波長后能夠使其化學(xué)鍵斷裂從而釋放離去基團。敏化型光扳機是指光敏劑吸收光之后通過光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移或其它機制將光剪切分子敏化并誘導(dǎo)發(fā)生化學(xué)鍵斷裂從而釋放離去基團。由于敏化型的應(yīng)用非常有限，故不作進一步陳述，以下所指光扳機都是指直接型的。

常見的光扳機主要包括：鄰硝基芐基類，芳香基甲酮類，芳香芐類和香豆素類等。

2．1 鄰硝基芐基類光扳機

鄰硝基芐基類（o－Nitrobenzyl，NB）光扳機是較早研究、也是目前應(yīng)用最為廣泛的光響應(yīng)分子，盡管它仍然存在一些不足之處。早在1970年，諾貝爾獎獲得者Woodward教授［3］就把它作為一個光可去除的保護基應(yīng)用在有機合成上。它具有圖2所示的基本結(jié)構(gòu)特征。NB類光扳機具有廣譜的基團保護／去保護特性，它可以通過硫醚／醚鍵或硫氰／碳酸酯鍵保護羥基或巰基；也可以通過磷酸或羧酸酯鍵保護磷酸或羧酸；或通過異氰酸酯鍵保護氨基。

圖2 鄰硝基芐基類光扳機結(jié)構(gòu)示意圖The structures of ortho－nitrobenzyl phototriggers

NB類光扳機的光解機制研究的非常廣泛，圖3表示了目前普遍認(rèn)可的機理［2］。光激發(fā)NB之后，首先發(fā)生的是一個硝基抽氫酸化，再環(huán)化重排發(fā)生羥基轉(zhuǎn)移，形成不穩(wěn)定的亞硝基的化合物，進一步經(jīng)過分子內(nèi)整合釋放保護基團和鄰－亞硝基芳香醛或酮的光解副產(chǎn)物。其中的硝基酸化和亞硝基的兩個中間體已經(jīng)得到了閃光光解或瞬態(tài)傅里葉紅外光譜確認(rèn)［4，5］。另外，硫氰／碳酸酯鍵或異氰酸酯鍵在釋放—SH、—OH或—NH2的過程中，會伴隨一分子二氧化碳產(chǎn)生。

只有NB基本母核結(jié)構(gòu)的光扳機無法直接應(yīng)用到生物體系中，因此大量的工作圍繞NB結(jié)構(gòu)做分子修飾以期：1）改善水溶性；2）長波長化，因為NB母核的吸收波長非常短（300nm以內(nèi)）；3）消除光解副產(chǎn)物的亞硝基，因為芳香亞硝基具有非常強的吸收，會和正常的光扳機競爭吸收并干擾光解，同時芳香亞硝基可能存在一定的生物毒性。

圖3 鄰硝基芐基類光扳機光解機理［2］The photolysis mechanism of ortho－nitrobenzyl alcohols

苯環(huán)顯然是最方便的修飾位點。在苯環(huán)上引入兩個相鄰的甲氧基（圖2結(jié)構(gòu)1），就能使得NB類光扳機的吸收波長紅移（大于350nm），甚至在420nm的光激發(fā)都能發(fā)生有效的光解。毫無疑問，該類二甲氧基化的NB光扳機，由于合成相對簡單，同時具有優(yōu)異的光解性能，已經(jīng)成為當(dāng)前應(yīng)用最為頻繁的光扳機之一。另外，為了限制兩個甲氧基的構(gòu)象自由，以減少激發(fā)后分子熱弛豫對光能的損耗，研究者通過亞甲基將兩個氧連接固定并形成苯并五元環(huán)（圖2結(jié)構(gòu)2），結(jié)果發(fā)現(xiàn)后者比前者的光解量子效率（Φchem）整整提高了6倍，并被成功用于DNA芯片的自動合成［6，7］。

芐基位點修飾也提供了不錯的機會。為提高水溶性，Hess課題組［8］首先在NB母核的芐基位點引入一個COOH（圖2結(jié)構(gòu)3），結(jié)果發(fā)現(xiàn)其光解釋放速度比原化合物高出許多倍。在這基礎(chǔ)上，Bassani和 Schaper課 題 組［9，10］在 拓 展 NB 光扳機的吸收波長的同時都發(fā)現(xiàn)芐基位點引入一個COOH，不僅會增加水溶性，同時其光解速度會比母分子提高2－3個數(shù)量級。另外，為消除光解副產(chǎn)物的亞硝基，Pirrung課題組［11］提出了一個非常巧妙的設(shè)計，在芐基位點上引入了1，3－戊二烯基團，它能和光解產(chǎn)生的亞硝基迅速的發(fā)生Diels－Alder成環(huán)反應(yīng)（圖2結(jié)構(gòu)4），在消除亞硝基的同時還能有效提高光解速率?？偟膩碚f，在芐基位點上修飾，大多情況下比母分子的光解速率有所提高。

另外，通過苯并增加共軛度的手段，也能有效的將NB光扳機的吸收紅移。例如Singh和Khade［12］將NB分子的苯環(huán)核替代為萘環(huán)或7－甲氧基萘環(huán)，發(fā)現(xiàn)其吸收峰紅移至380nm，同時保留了可以接受的光解量子效率，在乙腈水混合溶劑中其Φ＝0．08～0．16。Ellis－Davies［13］等將二苯并呋喃替代苯環(huán)（圖2結(jié)構(gòu)5），結(jié)果發(fā)現(xiàn)不僅大幅度紅移了光扳機的激發(fā)波長，保留了快的光解速度，并且大幅度提高了雙光子的激發(fā)能力。

2．2 芳香基甲酮類光扳機

芳香基甲酮類（Arylcarbonylmethyl，ACM）光扳機具有如圖4所示的基本結(jié)構(gòu)。它們光扳機行為是基于經(jīng)典的“三重態(tài)抽氫”光化學(xué)機制［2］。其中，羥基苯甲酮類（p－h(huán)ydroxyphenacyl，pHP）是研究最為廣泛的一種芳香基甲酮類光扳機。它有明顯的優(yōu)勢和特點：1）合成相對簡單；2）水溶性好，在生物緩沖溶液中穩(wěn)定；3）光解的副產(chǎn)物明確，無明顯生物毒性；4）光解速率快并且光解產(chǎn)率較高。圖4是常見對羥基苯甲酮類光扳機的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4 對羥基苯甲酮類光扳機的結(jié)構(gòu)The structures of p－h(huán)ydroxyphenacyl（pHP）phototriggers

Givens課題組對羥基苯甲酮類光扳機做了相當(dāng)多的工作，利用它來保護生物活性物質(zhì)：ATP［14］、磷 酸［6］、谷 氨 酸［15］、γ－氨 基 丁 酸 （GABA）［15］、縮二肽（Ala－Ala）［16，17］等。對它們的光解情況進行了研究，發(fā)現(xiàn)光解產(chǎn)率從0．1到0．4不等；光解副產(chǎn)物與離去基團和光解實驗所用溶劑有關(guān)，例如對羥基苯甲酰磷酸酯在Tris緩沖溶液中光解，得到的光解副產(chǎn)物為對羥基苯乙酸；然而，在甲醇或叔丁醇溶液中光解，得到的光解副產(chǎn)物為對羥基苯乙酮。另外，在光解實驗中，當(dāng)加入2－萘磺酸鈉能有效猝滅光解，間接證實該光解反應(yīng)是個典型的三線態(tài)過程。

對羥基苯甲酮類光扳機的缺點是吸收波長比較短，當(dāng)波長大于300nm時，其摩爾消光系數(shù)非常低。為了使對羥基苯甲酮類光扳機的吸收波長紅移，以適合廣泛的生物應(yīng)用，Conrad課題組在苯環(huán)的3位和5位引入甲氧基生成3，5－二甲氧基－對羥基苯甲酮類光扳機，新扳機的吸收波長能達(dá)到400nm，但是光解產(chǎn)生γ－氨基丁酸（GABA）產(chǎn)率低，只有0．03～0．04［18］。圖5是對羥基苯甲酰類光扳機光解機理示意圖。

2．3 芳香芐類光扳機

芳香芐類（Arylmethyl，AM）光扳機的機制與下一節(jié)的香豆素光扳機的工作原理非常相似，是一個單重態(tài)主導(dǎo)的光均裂或異裂的光化學(xué)過程。從某種層面來說，香豆素光扳機同樣具有芳香芐的結(jié)構(gòu)特征，只不過無論是香豆素光扳機的研究程度還是它的綜合性能或應(yīng)用都更為全面和系統(tǒng)，因此，香豆素光扳機通常都被單獨列為一個體系。

圖5 對羥基苯甲酮類光扳機光解機理［2］The photolysis mechanism of p－h(huán)ydroxyphenacyl（pHP）phototriggers［2］

芳香芐類光扳機的芳香基團結(jié)構(gòu)包括：3，5－二甲氧基苯［19］、二苯并呋喃［20］、二苯并硫雜呋喃［21］、芘［22］、蒽醌［23］、鄰羥基萘［24，25］和7－羥基喹啉［26－28］。以上光扳機大多在綜合性能上或多或少都有某些缺陷，因此在往后的應(yīng)用中有所限制。但是7－羥基喹啉有所不同，Dore課題組在7－羥基喹啉分子的8位引入溴原子生成8－溴－7－羥基喹啉（BHQ），并把它作為光扳機來保護羧酸類分子［26］。8－溴－7－羥基喹啉類光扳機的優(yōu)點是：光解效率比一般光扳機高，吸收峰值能達(dá)到370nm，對雙光子激發(fā)有一定的靈敏度，水溶性好。圖6是常見的7－羥基喹啉類光扳機的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6 8－溴－7－羥基喹啉類光扳機的結(jié)構(gòu)The structures of 8－bromo－7－h(huán)ydroxyquinoline（BHQ）phototriggers

2006 年 Dore 課 題 組 對 8－溴－7－羥 基 喹 啉（BHQ）的光解機理及可以保護的化合物類型進行了 研 究［27］。 通 過 研 究 表 明 8－溴－7－羥 基 喹 啉（BHQ）可以用來保護羧酸類、磷酸類、二醇類化合物，并且在模擬生理的條件下進行單光子光解或雙光子光解。通過時間分辨紅外、18O－標(biāo)記測試證實了8－溴－7－羥基喹啉（BHQ）光扳機的光解是溶劑輔助的一個單線態(tài)主導(dǎo)機制。2009年該課題組進一步對8－溴－7－羥基喹啉（BHQ）光扳機進行了不同基團取代修飾，研究了不同取代基對光扳機的單光子光解和雙光子光解的靈敏度的影響［28］。把溴原子替換為硝基、氰基或氯，另外把羥基更換為二乙氨基或巰基，發(fā)現(xiàn)不同的修飾對光扳機的光物理和光化學(xué)的性質(zhì)有很大的影響。在單光子條件下，氰基的光解速率是溴原子的三倍，氨基取代和巰基取代的光扳機的光解產(chǎn)率比羥基取代的光扳機的低了一個數(shù)量級。圖7是8－溴－7－羥基喹啉（BHQ）光扳機的光解機理。

圖7 8－溴－7－羥基喹啉（BHQ）光扳機的光解機理［2］The photolysis mechanism of 8－bromo－7－h(huán)ydroxyquinoline（BHQ）phototriggers［2］

2．4 香豆素類光扳機

香豆素類（coumarinyl－4－methyl，CM）光扳機是以C4位亞甲基化的香豆素分子為基礎(chǔ)（圖8），通過C4位亞甲基和其它分子基團形成光可剪切的化學(xué)鍵，實現(xiàn)光扳機的功能。Givens在上世紀(jì)八十年代首次用7－甲氧基香豆素－4－羥甲基衍生物實現(xiàn)了光剪切釋放磷酸化合物［29］。相對于其它的同類分子，這種新近發(fā)展起來的光功能分子具有許多獨到的優(yōu)勢：1）長波長激發(fā)，大的摩爾消光系數(shù)；2）具有強的熒光發(fā)射，可以有效示蹤并監(jiān)視整個的使用過程；3）非?？斓墓饨馑俣?；4）有效的雙光子近紅外光激發(fā)。近些年來，研究者意識到了這些優(yōu)勢，并不斷地拓展香豆素光扳機的應(yīng)用面，它將成為最具發(fā)展?jié)摿Φ墓獍鈾C［30，31］。

圖8 香豆素類光扳機的結(jié)構(gòu)The structures of coumarin phototriggers

與鄰硝基芐基類光扳機的光解機理完全不同，香豆素光扳機的光剪切和其激發(fā)單重態(tài)（S1）直接相關(guān)，也稱“單重態(tài)主導(dǎo)”的光剪切機制（圖9）［32，33］。當(dāng)香豆素光扳機吸收光能后被激發(fā)到單重態(tài)（S1），光能被分作三部分，其一通過熱弛豫回到基態(tài)，其二通過發(fā)射熒光回到基態(tài)，其三發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，C—X鍵異裂光剪切。異裂最初形成的是香豆素亞甲基陽離子和離去基團陰離子的緊密離子對中間體。香豆素亞甲基陽離子或者和周邊的親核試劑例如水或溶劑形成穩(wěn)定的香豆素光解副產(chǎn)物，或者逃離溶劑籠和其它的親核試劑反應(yīng)，或者緊密離子對重新結(jié)合回到基態(tài)。雖然有證據(jù)表明香豆素的單重態(tài)存在系間竄越的可能［34］，但是還沒有任何跡象證實該光化學(xué)反應(yīng)和三重態(tài)有任何關(guān)聯(lián)。

瞬態(tài)吸收光譜進一步證實C—X鍵的異裂光剪切過程是所有光扳機里光釋放速度最快的，其速率常數(shù)達(dá)到了2×1010s－1［35］。然而緊密離子對的重新結(jié)合卻主導(dǎo)了下一步反應(yīng)，它的速率是溶劑或其它親核試劑捕獲香豆素亞甲基陽離子的10倍。通過同位素標(biāo)記的手段，證實該單重態(tài)主導(dǎo)的光剪切發(fā)生在C—X鍵，而不是酯鍵［36］。在香豆素上引入電子給體或者低pKa值的離去基團將有效阻止緊密離子對的重新結(jié)合并促進該光解反應(yīng)的進行［33］。

圖9 香豆素光扳機的光解機理［32，33］The photolysis mechanism of coumarin phototriggers［32，33］

和鄰硝基芐基類光扳機不同的是，如果醇或酚羥基及巰基直接通過形成硫醚／醚鍵的方式和香豆素亞甲基相連，由于這些基團離去性差，會抑制光解的發(fā)生。然而它們通過硫氰／碳酸酯的連接方式，卻有非?？斓墓饨馑俣取９饨馐紫柔尫乓粋€硫氰／碳酸，進而脫去二氧化碳最終釋放出羥基或巰基。研究表明，脫二氧化碳通常是個緩慢過程，在無酸或堿催化的情況下，其速率常數(shù)在10－3s－1左右［37－40］。同樣，對氨基的保護通常是以異氰酸酯鍵的形式實現(xiàn)，然而，光釋放出來的異氰酸酯陰離子的脫二氧化碳過程更為緩慢，成為該光解反應(yīng)的最終決速步驟，因此香豆素光扳機釋放氨基的反應(yīng)往往和體系的pH值直接關(guān)聯(lián)［38，40－42］。和鄰硝基芐基類光扳機相同，對羧酸和磷酸的保護通常直接以羧酸酯及磷酸酯的方式實現(xiàn)。

香豆素光扳機與相應(yīng)的被保護基團之間的連接，通常是通過以下幾個中間體來完成的［43］（圖10）。最為通用的中間體是C4位為羥甲基香豆素，通過對應(yīng)的酰氯，可以方便的獲得磷酸酯、羧酸酯和硫酸酯以及碳酸酯、異氰酸酯和酸酐衍生物等。C4位為溴甲基時可以通過親核取代反應(yīng)和相應(yīng)的氨基、巰基和羧酸反應(yīng)。C4位為醛基時可以和二醇例如乙縮醛反應(yīng)，也可以非常方便的轉(zhuǎn)變?yōu)橹氐}，它被證實是保護復(fù)雜磷酸酯，特別是環(huán)狀核苷酸最為有效的中間體［44，45］。

和其它光扳機一樣，生物體系的應(yīng)用希望光扳機激發(fā)波長長波長化并有適當(dāng)?shù)乃芙庑?。香豆素母核的C6和C7位提供了合適的修飾位點。第一代的香豆素光扳機，一般在C7位引入烷氧基團［44，46，47］，使得光扳機的激發(fā)波長能有效延展到350nm以上，能滿足一般的生物應(yīng)用，若在C6位和C7位同時引入烷氧基，能比單獨在C7位引入的香豆素的吸收波長再紅移30nm［34，48，49］。C6位引入鹵素例如溴，能有效降低C7羥基的pKa值，使得羥基在中性生理條件下完全電離，在提高水溶性的同時也使得光扳機的最大吸收波長紅移了60nm。C7位氨基的取代物被稱作第二代香豆素光扳機。它的吸收峰值在350～400nm之間，而且對體系的pH值沒有那么敏感，部分光解量子效率達(dá)到了0．21～0．28。在氨基部位上可以非常方便的修飾極性基團例如羧基等，有效的改善光扳機的水溶性。苯并香豆素也被應(yīng)用到光扳機當(dāng)中，但光解和光學(xué)性質(zhì)沒有明顯的優(yōu)勢［50－52］。表1統(tǒng)計了文獻所報導(dǎo)的香豆素光扳機的化學(xué)結(jié)構(gòu)和基本光化學(xué)性質(zhì)。

圖10 香豆素光扳機保護的化合物的合成方法［43］Synthetic approaches to coumarin－caged compounds［43］

以上工作都是對香豆素光扳機進行不同的化學(xué)修飾以改善其光學(xué)性質(zhì)，為了拓展其在各種光控釋放體系中的應(yīng)用，便于活性分子與載體的連接，我們課題組基于7－氨基香豆素光扳機為主體結(jié)構(gòu)，在不改變光扳機光化學(xué)及光物理性質(zhì)的前提下，設(shè)計合成了一系列具有活性連接基團的、不對稱取代7－氨基香豆素光扳機1～9（圖11）［53］，該系列香豆素光扳機包含了大部分常用的生物鍵連的官能團，能通過簡單的酰胺鍵縮合、Michael加成和“click”反應(yīng)等連接載體從而構(gòu)筑穩(wěn)定的光控釋放體系，為構(gòu)筑光控釋放體系提供了良好的分子平臺。

3 光扳機的雙光子激發(fā)

到目前為止，幾乎所有的光扳機都局限在紫外光，最長也不超過藍(lán)光（＜450nm）激發(fā)。雖然發(fā)展可見光激發(fā)的光扳機一直是業(yè)內(nèi)的追求目標(biāo)，但是隨著激發(fā)波長的紅移，急劇減小的光能不足以驅(qū)動一個光剪切反應(yīng)的發(fā)生。然而，光控制技術(shù)在生物領(lǐng)域的應(yīng)用對光扳機的長波長化的呼聲越來越高。特別是在活體的應(yīng)用上，富含血紅素或黑色素的組織對波長低于650nm的光有強烈的吸收，而水對波長大于950nm的光強烈吸收并產(chǎn)生明顯的熱感（圖12）［54］。因此光扳機最終要應(yīng)用到活體上，實現(xiàn)深組織穿透并避免紫外光毒性，必須滿足650～950nm近紅外激發(fā)的所謂的“光療窗口”［55－57］。

圖12 生物組織中常見的生色團在0．1～12μm光譜區(qū)域中的光學(xué)吸收系數(shù)［54］Optical absorption coefficients of principal tissue chromophores in the 0．1—12μm spectral region［54］

采用雙光子技術(shù)是克服光扳機激發(fā)波長偏短的有效手段之一。雙光子屬于非線性光學(xué)的范疇，它是指在高能激光下，生色團同時吸收兩個近紅外光子，達(dá)到與短波長的光（單光子）直接激發(fā)相當(dāng)?shù)募ぐl(fā)效果（圖13）。為避免持續(xù)高能激發(fā)的危害，往往采用飛秒脈沖技術(shù)，將高能壓縮在一個只能持續(xù)若干飛秒的一個脈沖當(dāng)中，有效降低了激光的平均能量。雙光子技術(shù)除了有效實施近紅外激發(fā)之外，還能利用“能壘”的效應(yīng)實現(xiàn)三維定點光激發(fā)［58］（圖14）。

衡量一個化合物的被雙光子激發(fā)的能力，通常采用雙光子截面來表示。用它乘以光扳機的光解量子效率就可以表征光扳機的雙光子激發(fā)下的光解能力（δun）。一般認(rèn)為雙光子激發(fā)應(yīng)用到生物體系當(dāng)中，光扳機的雙光子截面必須至少達(dá)到1 GM［59，60］。事實上傳統(tǒng)光扳機的雙光子截面都很小。表2統(tǒng)計了相關(guān)的文獻對光扳機的雙光子激發(fā)研究的一些參數(shù)［43］?？梢钥吹洁徬趸S基類光扳機雙光子激發(fā)能力較小。值得注意的是，雙光子激發(fā)與波長也有直接關(guān)聯(lián)，大多情況在740～750nm比800nm的δun大很多。提高常用染料的雙光子吸收截面主要有以下手段：1）引入對稱元素，可以使得鄰硝基芐基類光扳機的截面提高5～12倍［61］；2）引入 D－π－A 結(jié)構(gòu)或加大共軛度，可以使得鄰硝基芐基類光扳機的δun達(dá)到3～5 GM［62－64］，但是這種方法會使得分子體積急劇增加，降低溶解性和分子修飾性。香豆素光扳機本身就已經(jīng)具備一定的雙光子吸收截面，通過在C6位引入溴原子可以有效增加雙光子激發(fā)能力，在740nm激發(fā)下，雙光子截面可以提高到0．35～2 GM［65］，進一步增加溴原子數(shù)，δun還會進一步提高［58］。近期，我們課題組通過在香豆素的7位引入D－π－A結(jié)構(gòu)，大幅度的提高了光扳機的雙光子截面，雖然同時降低了光解量子效率，但是δun還是比傳統(tǒng)7－氨基香豆素高出兩倍多［66］。Dore教授開發(fā)的8－溴－7－羥基喹啉（BHQ）光扳機也具有一定的雙光子激發(fā)能力，在740nm激發(fā)下，δun達(dá)到0．6～0．9GM，然而用氰基或氯和硝基替換溴會大幅度降低雙光子激發(fā)敏感性［28］。Jullien開發(fā)的2－羥基肉桂酰基（2－h(huán)ydroxycinnamyl）光扳機也能夠有效被雙光子激發(fā)，其δun最高能達(dá)到4．7 GM［67］。

表2 各種光保護基團的單／雙光子激發(fā)的光解量子產(chǎn)率［43］Single－photon and two－photon uncaging quantum efficiencies of photoremovable protecting groups（PPG）［43］

如圖15所示，我們課題組利用雙光子吸收的7－氨基香豆素光扳機作為連接抗癌藥物苯丁酸氮芥和介孔硅載體的光敏橋接基團，構(gòu)筑成了一個可以用400nm單光子可見光或800nm雙光子近紅外光（NIR）激發(fā)的光控納米載藥體系［68］。該體系首次實現(xiàn)雙光子激光精確控制藥物釋放，有效避免了具光毒性、弱穿透力的紫外光的使用。

雖然光扳機的雙光子激發(fā)已經(jīng)取得了一定的進展，但是要滿足更為廣泛的生物應(yīng)用，顯然還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。發(fā)展具有大的雙光子截面但又不影響光解量子效率的光扳機的任務(wù)依然任重道遠(yuǎn)。

4 光扳機的應(yīng)用概覽

圖15 可單／雙光子激發(fā)的載藥體系光解釋放藥物的示意圖Schematic representation of photolysis for drug release under one－or two－photon excitations

近些年來，光扳機的應(yīng)用拓展異常的快，但所有應(yīng)用都是基于光扳機的三個基本功能：1）光激活（photo－activation），2）光剪切（photo－cleavage）和3）光釋放（photo－release）實現(xiàn)對目標(biāo)體系光調(diào)控。確切的說，光激活是指在活性位點通過化學(xué)鍵連接光扳機的方式，對活性小分子或生物大分子的功能實現(xiàn)“屏蔽”，在需要的時候，通過光照解離光扳機，實現(xiàn)功能分子的活化。光剪切主要是針對生物大分子體系或高分子材料體系，通過光扳機的光解，控制大分子主鏈的剪切或降解，實現(xiàn)光控制的目的。光釋放是指通過光扳機作為一種鏈接橋（linker）將預(yù)先被固定在界面或載體上的功能分子，通過光解的方式實現(xiàn)光可控釋放；或者是將固定在界面或載體的某些被光扳機“屏蔽”的活性基團，通過光解的方式實施釋放，實現(xiàn)空間精確可控的“后修飾”。

從應(yīng)用領(lǐng)域來看，目前光扳機主要是應(yīng)用在生物和材料領(lǐng)域，下面分五個方面對光扳機的應(yīng)用作簡要的概述。

4．1 光激活熒光

光激 活 熒 光（photoactivatable fluorescence）是指經(jīng)過光激發(fā)后能產(chǎn)生一個熒光發(fā)射的分子或基團，出現(xiàn)由“無”到“有”的熒光變化。光激活熒光提供了一個非常有效的標(biāo)記手段來跟蹤流體移動的路徑和動力學(xué)過程，同時也應(yīng)了當(dāng)前快速發(fā)展的超分辨熒光顯微的技術(shù)要求，提供了有效的分子探針。

光扳機應(yīng)用于光激活熒光探針的研究，主要是基于以下兩個基本原理：1）通過光扳機對染料的活性（一般是給電子）位點進行封堵，破壞染料既有的分子內(nèi)共軛或電子轉(zhuǎn)移的ICT機制，使染料失去固有吸收和熒光發(fā)射。一旦激發(fā)光扳機發(fā)生光解，釋放出原有的活性位點，染料的吸收和熒光得以恢復(fù)。典型的包括，光扳機封閉芳香羥基，例如藍(lán)色熒光的羥基香豆素［69］、綠色熒光的熒光素［70］或東京綠［71］和紅色的試鹵靈［72］；光扳機封閉芳香氨基，例如羅丹明染料［73］。2）光扳機作為一個“連接橋”將相鄰的發(fā)光染料和猝滅因子相連，猝滅因子通過光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移（PET）或能量共振轉(zhuǎn)移（FRET）機制將染料熒光猝滅，一旦光扳機光解后，猝滅因子離去，熒光染料得以恢復(fù)［74－76］（圖16）。

圖16 基于FRET機制的光激活熒光探針的工作原理［76］The work principle of photoactivatable fluorescence probes based on FRET［76］

光激活熒光技術(shù)在細(xì)胞內(nèi)流體的熒光標(biāo)記及動力學(xué)跟蹤有重要的應(yīng)用。Li等［77，78］利用光激活熒光技術(shù)成功的測量了細(xì)胞間隙連接通道的分子轉(zhuǎn)移的速度，并應(yīng)用該技術(shù)，從時間空間分辨的角度上研究了分子內(nèi)Ca2＋對細(xì)胞間隙耦合的影響。另外，光激活熒光技術(shù)為傳統(tǒng)的生物光學(xué)成像帶來了新的突破。我們知道，常規(guī)的光學(xué)成像系統(tǒng)如共聚焦熒光顯微鏡由于光波的衍射作用，其最高分辨率只能達(dá)到微米尺度。為突破光學(xué)衍射極限，哈佛大學(xué)的X．W．Zhuang教授等，發(fā)展了超分辨熒光影像技術(shù)（super－resolution fluorescence imaging）［79，80］，該項新技術(shù)在單分子熒光技術(shù)基礎(chǔ)上，借助光活化或光學(xué)重建等手段，成功克服了常規(guī)光學(xué)影像不可逾越的光衍射壁壘，使得熒光影像從微米分辨率有效突破至納米尺度。和具有同等分辨率的電子顯微鏡相比，熒光分子影像具有靈敏度高、選擇性好、動態(tài)響應(yīng)范圍寬及測定條件更接近生命體的生理環(huán)境的優(yōu)點，特別適合于活體及蛋白質(zhì)分析中可靠的原位、實時、動態(tài)研究。目前超分辨熒光影像無論是PALM（photoactivatable localization microscopy）還是STORM（stochastic optical reconstruction microscopy）技術(shù)，其核心樞紐是具有光調(diào)控發(fā)光特征的熒光探針。光調(diào)控發(fā)光特征主要是指：光激活（photoactivatable）、光可逆轉(zhuǎn)換（photoswitchable）或光不可逆切換（photoconvertible）。當(dāng)前，適用于在超分辨熒光影像的探針主要是：1）具有光調(diào)控發(fā)光的熒光蛋白［81－83］；2）在還原條件下能發(fā)生光調(diào)控發(fā)光的 Cy染料［84，85］；3）具有光致變色的羅丹明染料［86］。雖然已經(jīng)有不少關(guān)于光扳機類型的光激活發(fā)光的熒光探針報導(dǎo)，但是還沒有一例成功應(yīng)用于超分辨熒光顯微技術(shù)，這可能跟探針能否有效進入細(xì)胞或標(biāo)記在特定蛋白有關(guān)。

4．2 光激活生物活性小分子

光激活生物活性小分子是光扳機在生命科學(xué)的最早應(yīng)用之一。一些光扳機保護的生物活性分子已經(jīng)有成熟的商業(yè)銷售。它們對幫助闡明某些重要的生命現(xiàn)象起到了決定性的作用。

光扳機保護的ATP是生物界經(jīng)常用到的光可激活的生物活性分子［87］，幾乎所有的光扳機剛合成出來時，首先想到的就是用于光激活A(yù)TP。ATP的γ－位磷酸被光扳機酯化后，有效屏蔽了酶的催化水解，一旦光活化脫落光扳機后，ATP水解成ADP并釋放能量。另一個通過磷酸酯鍵光扳機封閉的活性分子是環(huán)狀核苷酸單磷酸酯（cGMP）。cGMP是參與了生命過程中多種信號傳導(dǎo)的、非常重要的二級信號分子。它的光扳機化的化合物已商業(yè)化多年，最近，Kaupp等［88］基于7－氨基香豆素化的cGMP，利用光激活的手段，成功獲得了海洋無脊椎動物的精子鞭毛cGMP通道的電壓響應(yīng)信號。這個工作拓展了光激活化學(xué)信號分子應(yīng)用的新方向。

谷氨酸是哺乳動物神經(jīng)元通訊的必不可少介質(zhì)。它的光激活是神經(jīng)生物學(xué)研究中非常重要的工具和手段，相關(guān)的分子同樣已經(jīng)商業(yè)化。最近的研究希望通過雙光子激發(fā)，把該工具應(yīng)用到體內(nèi)并有效提高空間分辨精度。Ellis－Davies等應(yīng)用了雙光子技術(shù)在老鼠大腦內(nèi)活化谷氨酸，獲得了軸向空間分辨率在2μm的GABA－A和AMPA受體的分布圖［90］，同樣，通過雙光子激發(fā)技術(shù)，可以實現(xiàn)多模式光學(xué)控制單個神經(jīng)元突觸的膜電勢［91］。鈣離子同樣是極其重要的化學(xué)信號載體。它管理很多的細(xì)胞功能，光激活釋放鈣離子同樣是神經(jīng)生物學(xué)的重要研究手段。諾貝爾獎獲得者Roger Tsein對活化鈣離子的研究有著重要的推動作用，最近Ellis－Davies對光激活釋放鈣離子的工作在Chem．Rev．做了全面的綜述［89］（圖17）。

磷酸肌醇（IP3）是控制細(xì)胞內(nèi)傳導(dǎo)過程的重要成員之一。其中鄰硝基芐基類光扳機封閉的1，4，5－IP3已經(jīng)是商業(yè)化產(chǎn)品。這些光扳機封閉的IP3使得親水的磷酸肌醇分子更容易穿透細(xì)胞膜進入細(xì)胞中。最近Ellis－Davies發(fā)展了兩類新型的光可激活的1，4，5－IP3分子，被命名為 NV－IP3和 NDBF－IP3［92］。前者能夠雙光子激發(fā)，為研究星形膠質(zhì)細(xì)胞－突觸之間通訊提供了一個嶄新的分子工具，后者光解量子效率是前者的5倍。Schultz合成了氨基香豆素光扳機化的磷脂酰肌醇磷酸酯PtdIns（3）P和PI（3，4，5）P3［93，94］。這些化合物具有非常好的膜穿透性，并能被細(xì)胞內(nèi)酶水解有效去除磷脂保護基。利用PtdIns（3）P光激活的時間可控的特征，在HeLa細(xì)胞內(nèi)，研究了磷脂酰磷酸單酯作為二級信號分子與磷脂酰肌醇－3－羥基激酶信號系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)。光可激活的信號分子還包括 NO［95］、辣椒素［96］及雷帕霉素［97］等。

圖17 已被用于活細(xì)胞研究的光激活釋放鈣離子的光扳機以及相應(yīng)離子螯合配體（EDTA，EGTA，BAPTA）的結(jié)構(gòu)［89］Structures of all the Ca2＋ cages that have been used in living cells，with their parent chelators（EDTA，EGTA，BAPTA）［89］

還有一大類生物活性分子包括激素或類激素類的光活化被應(yīng)用到光調(diào)控基因表達(dá)。早在2000年，Koh教授首先采用光活化生物活性小分子雌激素的手段，實現(xiàn)光控基因表達(dá)［98］，并系統(tǒng)研究了該體系包括多種雌激素的優(yōu)缺點，并做了許多有效的改進［99，100］。之后，Lawrence教授通過光活化蛻皮激素也達(dá)到了同樣的效果［101］。另外，Deiters教授建立了基于光活化異丙基－β－D－半乳糖苷（IPTG）的光控基因表達(dá)的體系［102］。2006年，Cambridge課題組成功開發(fā)了光活化四環(huán)素體系（Tet－ON）系統(tǒng)，首次實現(xiàn)了光控細(xì)胞基因表達(dá)的圖案化（pattern）［103］。2009年，該課題組率先將Tet－ON系統(tǒng)應(yīng)用到動物活體，以綠色熒光蛋白為模型，通過光活化小分子的手段，成功實現(xiàn)了老鼠胚胎內(nèi)基因表達(dá)的時空可控［104］。

此外，化學(xué)藥物同樣作為一類具有生物活性的分子，不同程度地促進或者抑制著相應(yīng)的生物行為從而起到治療疾病的作用。近年，抗癌藥物的光控制釋放引起了廣泛的研究興趣，研究主要集中在抗癌藥物的“適時”、“適地”、“適量”控制釋放以達(dá)到對正常組織低毒副作用的有效治療。目前，已有很多關(guān)于光控載藥體系的報道，Rotello等通過硝基苯光扳機把五氟尿嘧啶抗癌藥物連接到納米金上，達(dá)到了五氟尿嘧啶的細(xì)胞外光控制釋放殺死癌細(xì)胞的目的［105］。以Zink和Stoddart為代表的研究組，把小分子抗癌藥物載入到生物相容性的介孔二氧化硅納米載體，再以光敏感的分子封堵載體的孔，通過光照使封堵的分子離去，實現(xiàn)了介孔材料的“門控式”釋藥［106］。為了進一步提高光控抗癌藥物釋放體系的腫瘤組織選擇性，我們課題組基于“激活型光扳機”的新概念［107］，結(jié)合腫瘤組織的典型乏氧特征，提出了一個以腫瘤乏氧敏感的硝基咪唑“鎖定”的香豆素光扳機，成功構(gòu)造了一個新型腫瘤乏氧激活的光控納米載藥體系（圖18）［108］。該體系基于藥物釋放的體內(nèi)外雙重控制的工作原理，在有氧的細(xì)胞條件下，香豆素的S1態(tài)通過光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移（PET）機制被硝基咪唑猝滅，失去發(fā)熒光和光剪切的能力，不產(chǎn)生藥物釋放，對正常細(xì)胞“零”傷害；而在乏氧的細(xì)胞條件下，硝基特異性還原為氨基使得香豆素的PET機制受阻，香豆素光扳機被激活，“開啟”了發(fā)熒光和光剪切的能力，釋放出抗癌藥物殺死癌細(xì)胞。該體系的成功構(gòu)筑為今后病人一邊光療，一邊享受日光浴提供了想象空間，也為今后實現(xiàn)無毒副作用的化學(xué)治療提供了新思路。

圖18 乏氧激活的光扳機在腫瘤細(xì)胞中的特異性光控藥物釋放The hypoxia－activated phototrigger specifically photo－releases drug to tumor cells

4．3 光調(diào)控多肽或蛋白的功能

功能性多肽在分子生物學(xué)中往往發(fā)揮激活或抑制蛋白功能的作用。通過多肽的活性位點的光扳機修飾，可以實現(xiàn)光激活多肽功能的效果。目前，光激活多肽功能的研究主要集中在誘導(dǎo)激酶磷酸化實現(xiàn)細(xì)胞周期的調(diào)控和調(diào)控RGD的細(xì)胞粘附。Lawrence等通過某種光扳機化的氨基酸并結(jié)合其它氨基酸獲得光激活型多肽，光扳機化的多肽阻止了它和底物的作用，一旦光扳機光解后，該作用得以激活，成功實現(xiàn)了熒光指示的胞內(nèi)蛋白激酶 C（PKC）磷酸化的時間空間可控［109，110］（圖19）。RGD多肽能通過整合素介導(dǎo)作用有效促進細(xì)胞的粘附。Stupp等［111］通過合成獲得長鏈烷基疏水修飾并在肽鏈上光扳機化的RGD，該分子在水中能有效自組裝形成納米球，然而光激發(fā)后，卻變成了納米棒。和3T3細(xì)胞孵育，經(jīng)光照后發(fā)現(xiàn)，RGD粘附部位的細(xì)胞骨架蛋白表達(dá)明顯增加，表明光扳機的光解激活RGD的細(xì)胞粘附功能。另外，通過光扳機的光剪切作用也可以破壞多肽固有的功能，也能達(dá)到光調(diào)控的目的。Kron等［112］通過在酒釀酵母的信息素因子的肽鏈上引入具有光剪切功能的苯丙氨酸。該可光降解的肽鏈激活了交配通路（mating pathway）使細(xì)胞周期阻滯在G1期，光激發(fā)后，降解破壞肽鏈原有功能，使得阻滯的細(xì)胞周期得以恢復(fù)。

在蛋白上人為引入光激活因素，要比肽鏈復(fù)雜得多。最初，Lawrence等［113］采取將蛋白激酶Cys的殘巰基直接烷化的手段，雖然取得了非常不錯的結(jié)果，但是這種方法顯然不具備廣譜性，作用位點也不明確，重復(fù)性差。利用蛋白工程的氨酰－t－RNA合成酶／tRNA基因編碼合成技術(shù)或已表達(dá)的蛋白生物連接（ligation）方法可以獲得位點明確、可重復(fù)的光可激活的蛋白。Muir等［114］通過化學(xué)連接的方法，通過光激活有效控制目標(biāo)蛋白的在細(xì)胞內(nèi)分布及共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）過程。通過氨酰－t－RNA合成酶／tRNA基因編碼合成技術(shù)，Schultz課題組實現(xiàn)光控來調(diào)節(jié)DNA聚合酶的功能［115］，光控制細(xì)胞凋亡蛋白酶的活性［116］和光控來追蹤蛋白轉(zhuǎn)錄因子PHO4在生物體內(nèi)的空間分布［117］。Chen課題組也研究了通過光控來調(diào)節(jié)蛋白酶的活性［118］。

圖19 通過鄰位標(biāo)記的具有熒光指示的蛋白激酶的光激活［110］Construction of a photoactivatable profluorescent enzyme via propinquity labeling［110］

4．4 光調(diào)控核酸的功能

通常在核酸例如DNA和RNA的分子骨架上修飾光扳機［1］，就可以獲得具有光調(diào)控功能的核酸分子。具體的說，在核酸的堿基上修飾光扳機就可以阻止所謂的Watson－Crick堿基配對。另外也可以在糖苷上的羥基或二酯磷酸上修飾，在二酯磷酸上修飾是最早采用的方法，通過光扳機的疊氮中間體和磷酸成酯反應(yīng)，可以在DNA或RNA上獲得隨機的光扳機化核酸分子。當(dāng)然也可以把光扳機作為連接橋，把糖苷的5位和另一個糖苷的3位連接起來，獲得可光降解的核酸鏈。圖20表示了這幾種常用核酸修飾方法。光扳機化的核酸可以在DNA質(zhì)粒上直接修飾，更多的研究工作是通過RNA的光扳機化修飾（位點更為精確，重復(fù)性好）來達(dá)到預(yù)期的光控目的。當(dāng)前，光調(diào)控核酸的功能主要體現(xiàn)在光調(diào)控基因表達(dá)［119－121］，另外 Heckel等通過光激活適配體 RNA實現(xiàn)了調(diào)控蛋白功能的目的［122］。

圖20 不同封閉位置的光激活DNA／RNA結(jié)構(gòu)概覽［5］Overview of different caging group for photoactivatable DNA／RNA［5］

4．5 大分子、組裝體及界面的光調(diào)控

近年來光扳機的應(yīng)用從生物迅速滲透至材料領(lǐng)域，特別是在水凝膠、高分子自組裝與解組裝、界面微修飾等方面取得了許多重要的成果。與光扳機在生物應(yīng)用多采用“光激活”有所不同的是，在材料上應(yīng)用更多的體現(xiàn)光扳機的“光剪切”或“光釋放”功能。雖然最終的應(yīng)用都不盡相同，但是從基本原理出發(fā)，無外乎以下幾個方面。

（一）通過光剪切高分子交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的方式，精確調(diào)控水凝膠、微凝膠的性能。2007年，Turro等［123］最早報導(dǎo)了利用光扳機制備可光降解的水凝膠。最近，Kros、Kasko和 Anseth等［124］發(fā)展了系列可光降解的水凝膠在生物上的應(yīng)用（圖21）。Anseth等通過鄰硝基芐基類光扳機修飾到生物相容的PEG大分子，并通過聚合或其它化學(xué)交聯(lián)的方式制備了能包裹活細(xì)胞的可光剪切的水凝膠。通過單光子或雙光子過程在水凝膠上實施光剪切刻蝕獲得局部降解的三維的通道，有效調(diào)控活細(xì)胞在水凝膠中的遷移。Kros等［125］通過鄰硝基芐基類光扳機修飾葡聚糖，再利用巰基－丙烯酸酯的Michael加成的方法獲得可光降解的水凝膠，并有效通過光降解過程控制GFP蛋白的有效釋放。Landfester等［126］通過微乳聚合的方式制備了可光降解的交聯(lián)PMMA微凝膠。

圖21 光可降解水凝膠的合成和通過降解調(diào)節(jié)凝膠性質(zhì)的過程［124］Photodegradable hydrogel synthesis and degradation for tuning gel properties［124］

（二）通過光剪切調(diào)控分子的親／疏水性，實施組裝體的光控智能化。這種方法可以采用光扳機作為連接橋，將一個親水的高分子鏈段和另外的疏水高分子連接在一起，獲得嵌段的兩親高分子，或者通過一種疏水化光扳機修飾的單體，和親水單體共聚，或由親水聚合物引發(fā)聚合獲得兩親高分子。該類高分子通過疏水作用在水溶液中組裝形成不同形貌的高分子膠束。光照之后，光扳機光解致使分子斷裂，從而破壞了固有親疏水平衡致使膠束破壞。Zhao等［127］在這個領(lǐng)域做了系統(tǒng)研究。這種智能的膠束被認(rèn)為是一種非常有效的光控制釋放體系，特別是針對某些難溶的疏水藥物，這種體系集合了藥物增溶和控制釋放的兩種功能。

（三）通過光剪切調(diào)控分子的親／疏水（或溶解）性，實施界面或薄膜表面的親疏水的微調(diào)控或圖案化。這種可光剪切的兩親高分子特別是嵌段的兩親高分子的膠束具有自模版作用。2009年，Kang和Moon［128］通過鄰硝基芐基類光扳機連接親水的PEG和疏水的聚苯乙烯，制備了主鏈可光剪切的兩嵌段的兩親聚合物。該兩親聚合物的膠束溶液在基材表面能成膜并自組裝，通過紫外光照，高分子主鏈發(fā)生光剪切使得親／疏水嵌段分離，用水和甲醇混合溶液洗去PEG嵌段，獲得了表面非常規(guī)整的多孔薄膜。另外和傳統(tǒng)的光刻蝕原理相同，光剪切也可以改變高分子的溶解性達(dá)到表面的刻蝕或圖案化的效果。例如Doh和Irvine［129］設(shè)計合成了一種鄰硝基芐基甲基丙烯酸酯／甲基丙烯酸甲酯／聚乙二醇甲基丙烯酸酯三元共聚物，它光解之后能產(chǎn)生甲基丙烯酸，變得具有水溶性。通過光掩模，利用光解前后的溶解性變化，該聚合物成功在基材表面圖案化，進一步通過親和素／生物素之間的高度結(jié)合性，成功將蛋白等生物分子圖案化固定在基材表面。光扳機也可以直接通過基材表面的自組裝單層膜（self－assembled monolayers，SAMs）的選擇性光剪切，實現(xiàn)對基材的局部區(qū)域的親／疏水、表面能或電性的微觀調(diào)控［130］。

（四）通過在載體或界面上光剪切釋放某種活性基團，實現(xiàn)載體內(nèi)或界面“后修飾”的空間精確可控。這方面的研究在日前引起了相關(guān)領(lǐng)域的高度關(guān)注。例如巰基基團非?；顫姡芎驮S多基團在不需要任何催化劑、并在生理條件下快速發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)條件非常溫和。Shiochet等［131］將巰基光扳機化并把它利用聚合固定在水凝膠體系當(dāng)中，通過雙光子在水凝膠內(nèi)定點釋放巰基，并通過生成巰基將某些活性蛋白精確固定在水凝膠內(nèi)設(shè)定的某個部位。事實上，鄰－硝基芐類光扳機在光解時候就能釋放一個醛基或酮，其中醛基和氨基或聯(lián)氨有非常好的反應(yīng)活性，Zhao等［132］在金納米粒子表面修飾相關(guān)的氨基和鄰－硝基芐類光扳機，通過控制光照時間，逐步光解釋放醛基，并和相鄰金納米粒子表面的氨基反應(yīng)，獲得規(guī)整排列的金納米串珠。

5 總結(jié)與展望

如上所述，近年來光扳機分子引起了廣泛的研究興趣，大多的光扳機工作機理已經(jīng)得到驗證，且其結(jié)構(gòu)也隨著新應(yīng)用的要求不斷得到拓展。然而光扳機的研究主要還處于單純的概念性材料構(gòu)建，生物應(yīng)用依然停留在細(xì)胞實驗水平。只有不斷拓展光扳機的應(yīng)用方向、范圍和深度才有可能帶動光扳機的功能的不斷完善和豐富。拓展必須建立在光扳機的“光剪切”、“光釋放”和“光激活”三大基本功能上，并凸顯其時空可控與便捷操作的特征。一方面隨著材料化學(xué)、生物與醫(yī)藥領(lǐng)域不斷交叉，光扳機分子在生物材料的制備、生物分子和界面修飾及微加工等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。另一方面隨著光扳機分子修飾技術(shù)，例如長波長化或雙光子釋放能力的進一步提高，或者新的上轉(zhuǎn)換技術(shù)介入，使得光控技術(shù)有望從細(xì)胞層面進入活體。另外，光學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展并與生物醫(yī)藥的交叉，例如微創(chuàng)光學(xué)介入、微納（LED）光源體內(nèi)植入等新技術(shù)為光扳機的應(yīng)用帶來了新的方向?？梢灶A(yù)見，光扳機分子的開發(fā)與發(fā)展將是一個多學(xué)科交叉與協(xié)動的過程。

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