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。
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。
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
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