唐本忠院士、吉大李媛媛教授、浙大钱骏教授、复旦陆雪峰教授 ACS Nano：调控分子晶体构型实现NIR-II 荧光脑功能定量分析

点击蓝字关注我们

近红外II区荧光成像（NIR-II，1000-1700 nm）具有成像穿透深度深、空间分辨率高、信噪比高等优点，在生物成像领域被广泛关注，是近年来研究热点之一。随着NIR-II荧光成像技术的进步，高效荧光探针的缺乏逐渐成为制约该领域发展的瓶颈问题。目前，基于聚集诱导发光（AIE）技术的设计理念：“结构扭曲+分子转子”，多种高性能NIR-II染料分子被相继报道，极大的促进了生物医学成像领域的发展。然而，大多数分子设计策略依赖于理论计算结果，难以精确表征分子构型及分子间相互作用。

为解决该问题，近日香港中文大学（深圳）唐本忠院士与吉林大学李媛媛教授、浙江大学钱骏教授、复旦大学陆雪峰教授合作，通过分子晶体工程调控，阐明了NIR-II 荧光团的结构-功能关系，在《ACS Nano》期刊上发表题为“Molecular Crystal Engineering of Organic Chromophores for NIR-II Fluorescence Quantification of Cerebrovascular Function” (DOI:10.1021/acsnano.1c11424) 的文章。

图1. 分子结构及设计策略

作者采用调控给/受体相互作用策略，包括给/受体距离和给/受体强度，逐步将染料分子的发射峰调控至1400 nm。作为概念验证，作者首先选用二噻吩并苯并吩嗪（TBP）为平面型强吸电子受体，与强电子给体三苯胺 (TPA) 相结合，所得 TBP-b-TPA 仅在 688 nm 处显示最大发射。通过缩短 D-A 距离（去除 TPA 中的苯基单元），得到的带有二苯胺 (DPA) 单元的 TBP-b-DPA 的发射峰红移至 748 nm。值得注意的是，强电子供体二芴胺（DFA）被接枝到 TBP 单元上，以进一步增强 D-A 相互作用。所得 TBP-b-DFA 荧光团在 888 nm 处显示发射峰，尾部延伸至 1400 nm，有利于 NIR-II 生物成像。

图2. 单晶结构及堆积方式

紧接着，作者通过单晶构型解析验证材料构效关系。首先，单晶结构确定了分子的扭曲构型，TBP-b-TPA，TBP-b-DPA，TBP-b-DFA的二面角分别为29º，74º，73º，有效的证明了位阻效应会扭曲分子构型。此外，分子的堆积方式，例如二聚体、多聚体，也会显著影响固态发光效率。总体来说，扭曲结构（二面角~70°）和松散堆积模式（分子间距离~3.4-4.5 Å）是提高固态绝对量子产率（QY）的关键因素。通过调节供体-受体距离和供体-受体相互作用，得到结构明确的 TBP- b-DFA 荧光团的绝对 QY 为 0.4%，发射波长延伸至 1400 nm。

图3. 脑血管显微成像。低氧条件下脑血管反应性 (b-c)及血流速度 (d-f) 荧光成像及定量分析。

作者将高亮度TBP-b-DFA材料组装成纳米粒子，实现了脑血管功能，包括不同条件下的脑血流量和脑血管反应性的显微成像。在低氧环境下，血管会经历短暂的收缩然后恢复到初始水平，同时，低氧环境下的血流速度也可以被准确的监测，为脑血管相关疾病的研究提供了有力的支持。该工作荧光分子构效关系的阐明为设计 NIR-II 荧光团提供了一定基础，此外，高亮度NIR-II荧光探针对于研究脑血管功能很帮助。

原文链接

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c11424

相关进展

香港中文大学（深圳）唐本忠院士团队 Adv. Sci.：一锅法制备金属多酚网络包裹的AIE核壳纳米颗粒及其在生物成像中的应用

南林蔡旭敏副教授和唐本忠院士、赵征教授合作NC：松香基BioAIEgen：固态下分子运动如何影响光物理过程？

唐本忠院士/王东教授和熊玉等 Mater. Horiz.：揭示静电和色散作用力对氢键交联型掺杂聚乙烯薄膜超长室温磷光的重要贡献
唐本忠院士/深圳大学韩婷助理教授等《Adv. Sci.》：无金属催化的活化炔聚合在聚合物损伤自检测中的应用

港中文(深圳)唐本忠院士/北师大(珠海)何本钊副研究员《Prog. Polym. Sci.》综述：活化炔聚合

唐本忠院士/Ken-Tye Yong教授/许改霞教授Appl. Phys. Rev.：聚集诱导发光材料在多光子诊疗中的研究进展

华工唐本忠院士团队秦安军教授等 JACS封面文章：首次结合“羟基-炔”和“巯基-烯”点击化学制备序列精确大分子用于高密度信息存储

华南理工大学唐本忠院士团队秦安军教授等发展了一种产物立体构型可调控的异腈单体聚合反应

化学与材料科学原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：[e-mail]

扫二维码｜关注我们

微信号 : Chem-MSE

诚邀投稿

欢迎专家学者提供化学化工、材料科学与工程产学研方面的稿件至[e-mail]，并请注明详细联系信息。化学与材料科学®会及时选用推送。