热点应用丨超光稳定小分子染料推动近红外生物光子学

为解决上述问题，复旦大学张凡教授研究团队探索了一种原子节约型的波长拓展策略，通过在推-拉电子结构中插入一个4π电子的五元环，获得了一系列分子量在299-504 Da，光谱范围覆盖700-1600 nm的氨基芴（AF）染料，其具有超过大多数常规染料的波长-分子量比（λ_abs/Mw）。AF骨架具有基态反芳香性和激发态芳香性，与传统染料具有[4n+2]π电子休克尔芳香性相反。这一特性导致了固有的窄HOMO-LUMO间隙。此外，研究发现，引入反芳香性结构增加了电子跃迁时的振动耦合，从而导致超快的激发态衰减和超高的光稳定性。

图1. (a,b) AF1-AF14的两步合成路线和对应的取代基结构以及吸收峰波长；(c,d) 几种代表性的AF染料的吸收和发射光谱；(e,f) AF染料的吸收峰波长(e)和峰肩比(f)与计算的取代胺基的垂直电离能之间的线性关系。

随后，研究团队利用AF染料的小巧结构，通过简单的修饰策略——引入一个羧基，在分子量小幅增加44 Da的情况下，油水分配系数（cLogD）大幅下降，从而获得了较好的水溶性，并减少了生物体内的非特异性相互作用。而传统策略则通常需要大分子修饰或胶束包裹来获得更好的水溶性。体内荧光成像结果显示分子结构和分子量变化对染料药代动力学的重要影响。研究团队还利用这一药代动力学差异，演示了AF染料用于活体内多通道荧光成像的应用潜力。

图2. (a) 几种AF染料衍生物的化学结构；(b) AF染料和衍生物的活体NIR-II荧光成像情况；(c-e) 染料在各时间点在肝脏和肾脏中的定量荧光信号分布情况；(f,g) 染料的单侧肾脏缺血再灌注过程示意图和活体内NIR-II成像情况；(h) 图g中两侧肾脏荧光强度比值随时间的变化过程；(i) 活体NIR-II多光谱荧光成像工作流程示意图。

进一步地，研究团队利用小鼠肾损伤模型研究了染料在临床前诊断中的潜在应用价值。结果表明，经过羧基修饰的小分子水溶性结构AF3-COOH能够在10分钟内检出肾脏损伤，相比大分子对照结构快6倍，这一结果证明了AF染料在临床诊断中的巨大价值，具有将诊断时间提前和提高生物相容性的潜力。

Yan, K., Hu, Z., Yu, P. et al. Ultra-photostable small-molecule dyes facilitate near-infrared biophotonics. Nat Commun 15, 2593 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-46853-0

近红外二区小动物活体成像系统NIR-II-ST

NIR-II in vivo imaging system

文中利用近红外二区小动物活体成像系统NIR-II-ST分别完成了小鼠活体代谢成像以及多通道多器官功能成像，并通过尾静脉注射完成了NIR-II活体单侧肾脏缺血再灌注模型成像实验。