近紅外二區(qū)染料設(shè)計(jì)的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文要點(diǎn)：近紅外二區(qū)（NIR-II）光學(xué)成像技術(shù)以其較高的成像對(duì)比度成為診斷和圖像引導(dǎo)手術(shù)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(shè)計(jì)NIR-II有機(jī)分子的通用策略。本文通過(guò)對(duì)62個(gè)多芳基吡咯（MAP）體系的理論計(jì)算，發(fā)現(xiàn)通過(guò)調(diào)整MAP上取代基的類型和位置，可以實(shí)現(xiàn)光譜向NIR-II區(qū)的連續(xù)紅移。兩個(gè)指標(biāo)（ΔEgs和μgs）與最大吸收/發(fā)射波長(zhǎng)具有很強(qiáng)的相關(guān)性，只有當(dāng)ΔEgs≤2.5 eV和μgs≤22.55 D時(shí)，該指標(biāo)才能用于預(yù)測(cè)NIR-II區(qū)域的發(fā)射光譜。10個(gè)MAP的實(shí)驗(yàn)吸收和發(fā)射光譜充分證實(shí)了理論預(yù)測(cè)，新設(shè)計(jì)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(shù)已報(bào)道的供體-受體-供體型非MAP NIR-II染料。這些結(jié)果對(duì)NIR-II染料的高效設(shè)計(jì)具有廣泛的指導(dǎo)意義。

本工作設(shè)計(jì)了62個(gè)D-A型MPA，通過(guò)系統(tǒng)密度泛函理論計(jì)算研究了分子結(jié)構(gòu)與熒光光譜的關(guān)系。結(jié)果表明，通過(guò)調(diào)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(gè)關(guān)鍵物理參數(shù)HOMO-LUMO能隙（ΔEgs）和分子電偶極矩（μgs）密切相關(guān)。利用這兩個(gè)物理參數(shù)可以有效地預(yù)測(cè)熒光光譜的變化趨勢(shì)。當(dāng)ΔEgs≤2.50 eV和μgs≤22.55 D時(shí)，發(fā)射光譜達(dá)到NIR-II區(qū)域。通過(guò)光譜實(shí)驗(yàn)成功驗(yàn)證了理論預(yù)測(cè)，設(shè)計(jì)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(gè)指標(biāo)普遍適用于大多數(shù)報(bào)告的具有NIR-II發(fā)射的D-A-D型有機(jī)染料。該研究不僅加深了對(duì)結(jié)構(gòu)與光譜性質(zhì)關(guān)系的理解，而且為NIR-II熒光染料的開發(fā)提供了有價(jià)值的理論指導(dǎo)。

圖 1. MAP的合理設(shè)計(jì)策略

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)NIR-II染料的預(yù)測(cè)，設(shè)計(jì)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(tuán)被摻入吡咯環(huán)的 2,5 位以延長(zhǎng)分子內(nèi)偶聯(lián)，受體基團(tuán)被連接在 3 位以構(gòu)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(jìn)了電子-空穴分離和激發(fā)時(shí)的紅移發(fā)射。

圖2.（a）所選參數(shù)的Pearson相關(guān)系數(shù)矩陣和（b）計(jì)算μGS系列設(shè)計(jì)的 52 個(gè) MAP

圖3. 新設(shè)計(jì)的10個(gè)MAP的化學(xué)結(jié)構(gòu)及驗(yàn)證

基于提出的兩個(gè)關(guān)鍵分子描述符（ΔEGS和μGS），選擇了一系列稱為MAP-EV的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證MAP來(lái)確認(rèn)計(jì)算結(jié)果，即MAP-EV1-9和MAP23-BBT，如圖3所示。只有MAP23-BBT滿足上述標(biāo)準(zhǔn)（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(dá)到1107 nm，計(jì)算出的MAP23-BBT發(fā)射波長(zhǎng)為1499 nm，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。在實(shí)驗(yàn)中還探索了MAP23-BBT的AIE性質(zhì)。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(yīng)和MAP23-BBT的聚集，在THF/己烷混合物中將己烷的體積分?jǐn)?shù)從0增加到90 vol %時(shí)，PL強(qiáng)度增加了∼7倍。進(jìn)一步增加己烷與99 vol %的比值，由于形成較大的無(wú)序聚集體，熒光強(qiáng)度略有降低。

圖4. MAP23-BBT NPs NIR-II測(cè)試

參考文獻(xiàn)

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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