近红外二区染料设计的两个关键指标及实验验证

本文要点：近红外二区（NIR-II）光学成像技术以其较高的成像对比度成为诊断和图像引导手术的有力工具。然而，由于NIR-II染料的合成难度较大，阻碍了NIR-II生物探针的快速发展，目前还缺乏有效设计NIR-II有机分子的通用策略。本文通过对62个多芳基吡咯（MAP）体系的理论计算，发现通过调整MAP上取代基的类型和位置，可以实现光谱向NIR-II区的连续红移。两个指标（ΔEgs和μgs）与最大吸收/发射波长具有很强的相关性，只有当ΔEgs≤2.5 eV和μgs≤22.55 D时，该指标才能用于预测NIR-II区域的发射光谱。10个MAP的实验吸收和发射光谱充分证实了理论预测，新设计的MAP23-BBT活体生物成像在深部组织血管成像中显示了NIR-II区域的高空间分辨率。更重要的是，ΔEgs和μgs的描述符已显示出普遍适用于大多数已报道的供体-受体-供体型非MAP NIR-II染料。这些结果对NIR-II染料的高效设计具有广泛的指导意义。

动物活体成像系统

本工作设计了62个D-A型MPA，通过系统密度泛函理论计算研究了分子结构与荧光光谱的关系。结果表明，通过调整吡咯环2,5-位和3-位取代基的类型，可以使光谱连续红移到NIR-II区。我们发现，MAPs的荧光发射与S0处的两个关键物理参数HOMO-LUMO能隙（ΔEgs）和分子电偶极矩（μgs）密切相关。利用这两个物理参数可以有效地预测荧光光谱的变化趋势。当ΔEgs≤2.50 eV和μgs≤22.55 D时，发射光谱达到NIR-II区域。通过光谱实验成功验证了理论预测，设计的MAP23-BBT在NIR-II区域发射，具有良好的高分辨率生物成像性能。重要的是，这两个指标普遍适用于大多数报告的具有NIR-II发射的D-A-D型有机染料。该研究不仅加深了对结构与光谱性质关系的理解，而且为NIR-II荧光染料的开发提供了有价值的理论指导。

图 1. MAP的合理设计策略

为了实现对NIR-II染料的预测，设计了一系列基于MAP1和MAP2的D-A型MAP，如图1所示。在这里，供体基团被掺入吡咯环的 2,5 位以延长分子内偶联，受体基团被连接在 3 位以构建具有 D-A 图案的染料。此外，MAPs的3位受体与中心吡咯环之间的小扭曲角促进了电子-空穴分离和激发时的红移发射。

图2.（a）所选参数的Pearson相关系数矩阵和（b）计算μGS系列设计的 52 个 MAP

图3. 新设计的10个MAP的化学结构及验证

基于提出的两个关键分子描述符（ΔEGS和μGS），选择了一系列称为MAP-EV的实验验证MAP来确认计算结果，即MAP-EV1-9和MAP23-BBT，如图3所示。只有MAP23-BBT满足上述标准（ΔEGS≤ 2.50 eV 和μGS≤ 22.55 D） ΔEGS = 1.84 eV 和 μGS= 3.52 D（图3c），表明其NIR-II发射能力。MAP23-BBT表现出良好的NIR-II性能，最大发射峰达到1107 nm，计算出的MAP23-BBT发射波长为1499 nm，与实验结果吻合。在实验中还探索了MAP23-BBT的AIE性质。四氢呋喃（THF）和己烷分别被选为MAP23-BBT的良好和较差溶剂。很明显，由于溶剂效应和MAP23-BBT的聚集，在THF/己烷混合物中将己烷的体积分数从0增加到90 vol %时，PL强度增加了∼7倍。进一步增加己烷与99 vol %的比值，由于形成较大的无序聚集体，荧光强度略有降低。

图4. MAP23-BBT NPs NIR-II测试

参考文献

Zeng Y, Qu J, Wu G, et al. Two Key Descriptors for Designing Second Near-Infrared Dyes and Experimental Validation[J]. Journal of the American Chemical Society, 2024, 146(14): 9888-9896.