近紅外二區(qū)染料設計的兩個關鍵指標及實驗驗證
本文要點：近紅外二區(qū)（NIR-II）光學成像技術以其較高的成像對比度成為診斷和圖像引導手術的有力工具。然而，由于NIR-II染料的合成難度較大，阻礙了NIR-II生物探針的快速發(fā)展，目前還缺乏有效設計NIR-II有機分子的通用策略。本文通過對62個多芳基吡咯（MAP）體系的理論計算，發(fā)現(xiàn)通過調整MAP上取代基的類型和位置，可以實現(xiàn)光譜向NIR-II區(qū)的連續(xù)紅移。兩個指標（ΔEgs和μgs）與最大吸收/發(fā)射波長具有很強的相關性，只有當ΔEgs≤2.5 eV和μgs≤22.55 D時，該指標才能用于預測NIR-II區(qū)域的發(fā)射光譜。10個MAP的實驗吸收和發(fā)射光譜充分證實了理論預測，新設計的MAP23-BBT活體生物成像在深部組織血管成像中顯示了NIR-II區(qū)域的高空間分辨率。更重要的是，ΔEgs和μgs的描述符已顯示出普遍適用于大多數已報道的供體-受體-供體型非MAP NIR-II染料。這些結果對NIR-II染料的高效設計具有廣泛的指導意義。
本工作設計了62個D-A型MPA，通過系統(tǒng)密度泛函理論計算研究了分子結構與熒光光譜的關系。結果表明，通過調整吡咯環(huán)2,5-位和3-位取代基的類型，可以使光譜連續(xù)紅移到NIR-II區(qū)。我們發(fā)現(xiàn)，MAPs的熒光發(fā)射與S0處的兩個關鍵物理參數HOMO-LUMO能隙（ΔEgs）和分子電偶極矩（μgs）密切相關。利用這兩個物理參數可以有效地預測熒光光譜的變化趨勢。當ΔEgs≤2.50 eV和μgs≤22.55 D時，發(fā)射光譜達到NIR-II區(qū)域。通過光譜實驗成功驗證了理論預測，設計的MAP23-BBT在NIR-II區(qū)域發(fā)射，具有良好的高分辨率生物成像性能。重要的是，這兩個指標普遍適用于大多數報告的具有NIR-II發(fā)射的D-A-D型有機染料。該研究不僅加深了對結構與光譜性質關系的理解，而且為NIR-II熒光染料的開發(fā)提供了有價值的理論指導。
圖 1. MAP的合理設計策略
為了實現(xiàn)對NIR-II染料的預測，設計了一系列基于MAP1和MAP2的D-A型MAP，如圖1所示。在這里，供體基團被摻入吡咯環(huán)的 2,5 位以延長分子內偶聯(lián)，受體基團被連接在 3 位以構建具有 D-A 圖案的染料。此外，MAPs的3位受體與中心吡咯環(huán)之間的小扭曲角促進了電子-空穴分離和激發(fā)時的紅移發(fā)射。
圖2.（a）所選參數的Pearson相關系數矩陣和（b）計算μGS系列設計的 52 個 MAP
在理論計算的基礎上，建立了MAPs分子幾何形狀與吸收/發(fā)射光譜的關系，為NIR-II熒光染料的合理設計提供了前提。為了簡單起見，進一步提出了分子描述符，以有效地評估實驗中具有NIR-II光譜的熒光染料。
分子描述符與λABS和 λEM相關，并具有對應的線性關系，通過使用Pearson的相關系數r進行量化（圖2a和S12）。r 的絕對值越高，表示兩個描述符之間的相關性越強。最終選擇了MAP在S0處的ΔEGS和μGS 作為評估NIR-II染料的分子描述符。根據擬合線，預測了ΔEGS和μGS用于 NIR-II 染料 （λEM= 1000 nm）的閾值分別為2.50 eV和22.55 D。因此，本文提出了ΔEGS≤ 2.50 eV 和μGS≤ 22.55 D的標準，用于預測NIR-II染料。也就是說，如果有機染料的這兩個描述符符合標準，則它們的發(fā)射光譜在NIR-II窗口內。這兩個描述符非常適合表征光譜，并且可以快速篩選出 λEM可以到達 NIR-II 區(qū)域的染料。
圖3. 新設計的10個MAP的化學結構及驗證
基于提出的兩個關鍵分子描述符（ΔEGS和μGS），選擇了一系列稱為MAP-EV的實驗驗證MAP來確認計算結果，即MAP-EV1-9和MAP23-BBT，如圖3所示。只有MAP23-BBT滿足上述標準（ΔEGS≤ 2.50 eV 和μGS≤ 22.55 D） ΔEGS = 1.84 eV 和 μGS= 3.52 D（圖3c），表明其NIR-II發(fā)射能力。MAP23-BBT表現(xiàn)出良好的NIR-II性能，最大發(fā)射峰達到1107 nm，計算出的MAP23-BBT發(fā)射波長為1499 nm，與實驗結果吻合。在實驗中還探索了MAP23-BBT的AIE性質。四氫呋喃（THF）和己烷分別被選為MAP23-BBT的良好和較差溶劑。很明顯，由于溶劑效應和MAP23-BBT的聚集，在THF/己烷混合物中將己烷的體積分數從0增加到90 vol %時，PL強度增加了∼7倍。進一步增加己烷與99 vol %的比值，由于形成較大的無序聚集體，熒光強度略有降低。
圖4. MAP23-BBT NPs NIR-II測試
由于NIR-II發(fā)射在深層組織穿透和抗背景干擾方面具有巨大優(yōu)勢，進一步探討了MAP23-BBT在生物成像中的潛在應用。為了增強體內的生物相容性和隨后的血管成像，使用兩親性聚合物 1,2-二硬脂�；�-sn-甘油-3-磷酸乙醇胺–n [甲氧基（聚乙二醇）-2000] （DSPE–PEG） 制備了 MAP23-BBT 納米顆粒 （MAP23-BBT NPs）。MAP23-BBT NPs的最大吸收峰位于855 nm，最大發(fā)射峰達到1081 nm，尾部波長延伸至1300–1400 nm，如圖4a所示。與美國食品和藥物管理局 （FDA） 批準的 NIR 染料吲哚菁綠 （ICG）對比，如圖 5b所示，用 0.5 W/cm 的 808 nm 激光處理后在20 min內，MAP23-BBT NPs的吸收強度恒定，而ICG的吸收強度急劇下降， MAP23-BBT NPs具有優(yōu)異的光穩(wěn)定性。此外，通過定量熒光亮度對比，MAP23-BBT NPs在1075 nm、1175和1300 nm長波長通濾光片下的增強發(fā)射強度分別是ICG的1.40、3.93和8.88倍，如圖4c所示。隨后，向Balb/c小鼠靜脈注射MAP23-BBT NPs（200μL，2mg/mL）進行NIR-II血管造影，小鼠全身血管清晰可見。為了評估成像的空間分辨率，從小鼠背部和下肢的兩個血管區(qū)域提取橫截面信號強度。計算的直徑分別為146μm和299μm，對應于信號背景比（SBR，血管與肌肉比）分別為3.1和3.3（圖4d）�？偠灾@些發(fā)現(xiàn)表明MAP23-BBT NPs可以在深部組織血管造影中實現(xiàn)NIR-II成像的高空間分辨率。
結論：
綜上所述，從理論上設計了62個光譜范圍從可見光到NIR-II區(qū)的MAPs，以探索分子結構與光譜特性之間的關系。通過調整MAPs吡咯環(huán)上的D-和A-部分類型或取代基位點，實現(xiàn)了光譜從I類和II類到III類向NIR-II區(qū)域的連續(xù)紅移。兩個描述符 （ΔEGS和μGS）被鑒定為與發(fā)射波長表現(xiàn)出強大的線性相關性。這些描述符能夠預測NIR-II染料，而無需實驗合成和復雜的激發(fā)態(tài)優(yōu)化。具體來說，具有兩個滿足標準的描述符的有機染料，ΔEGS≤ 2.50 eV 和 μGS≤ 22.55 D，所有都表現(xiàn)出NIR-II發(fā)射。10 個 MAP 的實驗吸收和發(fā)射光譜充分證實了理論預測，MAP23-BBT 體內生物成像顯示深部組織血管造影中 NIR-II 區(qū)的空間分辨率較高，優(yōu)于商業(yè)染料 ICG。本文提出的描述符對大多數報道的D-A-D-型非MAP NIR-II染料具有普遍適用性。需要注意的是，這兩個分子描述符是專門為預測NIR-II發(fā)射而量身定制的，但無法描述聚集效應。然而，所設計的MAP的AIE特性可以在一定程度上補償聚集態(tài)的弱發(fā)射，導致聚集狀態(tài)下的NIR-II染料亮度相對較高。該研究不僅為分子結構和光譜特性之間的復雜關系提供了新的見解，而且還確定了NIR-II系統(tǒng)設計的關鍵描述符。本研究結果為NIR-II熒光探針的合理設計和高通量篩選提供了有價值的理論指導。
參考文獻
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.
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