近红外二区波长范围（NIR-II, 1000–1700 nm）的生物荧光成像具有高信噪比、高光学分辨率的优势。其中，发射波长在NIR-II范围的有机小分子荧光材料由于较好的生物相容性和结构可修饰性而颇受重视。然而，目前多数NIR-II荧光分子在生物成像中的应用仍然受到较低量子产率（QY）的困扰，因此进一步提升NIR-II荧光分子的量子产率对NIR-II生物成像技术的发展有着重要意义。有鉴于此，香港科技大学唐本忠院士和复旦大学张凡教授合作，设计并合成了拥有超高量子产率的NIR-II AIE分子（AIEgens），并探索了这类分子在荧光及化学发光生物成像中的应用。相关成果以标题“Rational Design of NIR-II AIEgens with Ultrahigh Quantum Yields for Photo- and Chemiluminescence Imaging”发表在《JACS》期刊上（DOI: 10.1021/jacs.2c07443）。港科大博士研究生沈翰辰，港科大博士后孙飞一，复旦大学硕士研究生朱昕燕为本文的共同第一作者。根据现有文献报道，研究人员发现对于给体受体型（D–A）红光AIE分子来说，使用四苯乙烯（TPE）作为分子给体基元（donor）会比使用三苯胺（TPA）带来更高的量子产率。研究者以课题组之前报道的高量子产率NIR-II AIEgen（TPA-BBT）为蓝图，通过将TPA-BBT的TPA结构换为TPE结构，合成出TPE-BBT及其甲氧基取代衍生物TPEO-BBT。光物理性质研究表明，TPE-BBT和TPEO-BBT都拥有典型的AIE性质，即在聚集状态下拥有更高的荧光强度。为考察TPE-BBT，TPEO-BBT和TPA-BBT在实际应用场景中的QY，三个分子分别由F127制备成荧光纳米粒（PLNPs）分散在水中测试QY。研究者以IR26（QY = 0.5%）作为相对量子产率参比测试了三种PLNPs的相对QY，发现相较于TPA-BBT PLNPs（QY = 12.7%），TPE-BBT PLNPs（QY = 31.5%）和TPEO-BBT PLNPs（QY = 23.9%）都表现出了超高的相对QY。这使得直接使用积分球测试分子的绝对QY成为可能，因此研究者测试了TPE-BBT和TPA-BBT不同存在形式下的绝对QY（表1）以深入研究光物理规律。结果表明， TPE-BBT在各种存在形式下均表现出高于TPA-BBT的绝对QY，并且TPE-BBT的绝对QY会随着聚集体尺度增加而上升。值得注意的是，TPE-BBT的晶体表现出高达10.4%的绝对QY，这是目前有机小分子NIR-II荧光材料中所报道的最高绝对QY。
图1 (a) TPA-BBT，TPE-BBT，TPEO-BBT的结构式。(b) TPE-BBT PLNPs的归一化吸收、发射曲线。(c) TPE-BBT在不同含水比例的DMSO/水混合溶剂中的荧光光谱。(d) TPE-BBT在不同含水比例的DMSO/水混合溶剂中955 nm发光强度变化。(e) TPA-BBT，TPE-BBT，TPEO-BBT的相对量子产率测试。(f) TPE-BBT在不同含水比例的DMSO/水混合溶剂中生成的聚集体的粒径分布。(g) TPE-BBT在不同含水比例的DMSO/水混合溶剂中生成的聚集体的扫描电镜照片。
表1 不同存在形式的TPE-BBT和TPA-BBT的绝对QY。
研究者进一步探索了TPE-BBT和TPA-BBT两个分子QY差异显著的原因。单晶分析表明，TPE-BBT和TPA-BBT都拥有层状排列结构。相比TPA-BBT，TPE-BBT拥有更强的层内分子间相互作用，而两个分子的层间分子间相互作用强度类似。这说明在晶体中，TPE-BBT拥有更强的分子间相互作用，表现出更强的分子内运动受限（RIM）效果和更高的量子产率。
图2 TPE-BBT和TPA-BBT的单晶结构分析。(a) TPE-BBT的分子排列图。(b, c) TPE-BBT的层内和层间分子间相互作用。(d) TPA-BBT的分子排列图。(e, f) TPA-BBT的层内和层间分子间相互作用。
理论计算帮助进一步解释两个分子的QY差异。分子动力学模拟（MD）表明，在水中形成聚集体之后， TPE-BBT与周围分子接触比例更高，相互作用更强，分子运动受到更强的限制作用，从而确保了聚集状态下更高的QY。密度泛函理论计算（DFT）表明，相比起TPA，TPE的给电子能力较弱，所以分子的电荷转移性质较弱，这可以避免分子在大极性（水相）环境中产生太强的不利于发光的分子内扭转电荷转移（TICT）现象。这更确保了TPE-BBT在水中形成的聚集体拥有更高的QY。此外，重组能计算也表明，晶态下的TPE-BBT对于低波数区的分子运动模式抑制效果更强，证明了TPE-BBT聚集体产生的非辐射跃迁较少，QY更高。
图3 (a, b) TPE-BBT在水中形成聚集体的MD建模。(c) TPE-BBT和TPA-BBT在水中形成聚集体时分子旋转二面角分布。(d) TPE-BBT和TPA-BBT在水中形成聚集体时的原子接触比例。(e) TPE-BBT和TPA-BBT在水中形成聚集体时的与周边有机分子的相互作用能。
图4 (a, d) TPE-BBT和TPA-BBT的前线分子轨道。(b, c) TPE-BBT在溶液态和晶态的重组能计算。(e, f) TPA-BBT在溶液态和晶态的重组能计算。
最后，研究者探索了TPE-BBT在生物成像的应用。TPE-BBT PLNPs拥有良好的纳米尺度分布（粒径小于30 nm），生物安全性和光稳定性。由于TPE-BBT PLNPs超高的量子产率，其在NIR-II血管荧光成像中拥有比TPA-BBT PLNPs和商用染料ICG更好的成像效果，信号背景比（SBR）高达1.76。在传统荧光生物成像中，由于激发光源的限制，会导致在生物样品检测时背景信号过强和穿透深度不够的问题，从而造成较差的成像效果。 因此，化学发光（CL）作为无需外界激发的成像技术脱颖而出。其通过化学反应的能量作为激发源，避免了外界激发光源的干扰，可以高SBR、高灵敏地实现深层组织成像。然而，这类成像系统的发射波长和信号强度亟需进一步提升以获得更好的成像效果。为了解决这一问题，研究者设计了一个化学共振能量转移（CRET）和荧光共振能量转移（FRET）串联的化学发光纳米成像系统（CLNPs）。在该系统中，双草酸酯CPPO检测到H2O2之后会生成高能中间体，其能量会通过CRET传递给中间分子BTD540，再通过FRET转递给下游的NIR-II荧光分子。使用超高QY的NIR-II AIEgens可以最大程度减少能量转移过程中的能量损耗，有效增加NIR-II化学发光信号强度。实验结果表明，BTD540的能量能够有效传递给TPE-BBT和TPA-BBT，而具有更高QY的TPE-BBT在体外和体内测试中均表现出更好的成像效果。在体内关节炎症成像实验中，TPE-BBT CLNPs表现出高达130的SBR，并且在成像一小时之后仍保持大于10的SBR，体现出优异的临床应用价值。这些实验说明TPE-BBT及其衍生物在NIR-II生物成像领域中具有广阔的应用前景。
图5 (a) TPE-BBT PLNPs的粒径分布和扫描电镜照片。(b) TPE-BBT PLNPs对HUVECs的细胞毒性测试。 (c) TPE-BBT PLNPs，TPEO-BBT PLNPs和ICG的光稳定性测试。(d–f) TPE-BBT PLNPs，TPA-BBT PLNPs和ICG的NIR-II小鼠血管荧光成像照片。(g–i) NIR-II荧光成像中红线处横截面荧光强度分布图及其高斯拟合曲线。图6 (a) TPE-BBT CLNPs示意图。(b) TPE-BBT CLNPs的粒径分布和扫描电镜照片。(c) TPE-BBT和BTD540在水相纳米粒中的归一化吸收、发射光谱。(d) BTD540以及BTD54-/TPE-BBT (1:1)混合物在水相纳米粒中的荧光光谱。(e) TPE-BBT CLNPs的归一化光致发光光谱和化学发光光谱。(f) TPE-BBT CLNPs和TPA-BBT CLNPs在2.73%双氧水中的化学发光强度变化。(g) TPE-BBT CLNPs和TPA-BBT CLNPs在2.73%双氧水中的化学发光照片。
图7 (a) 小鼠关节炎症化学发光成像示意图。(b, c) TPE-BBT CLNPs (line 1)和TPA-BBT CLNPs (line 2)在不同时间的NIR-II化学发光照片，其中信号区域被选择为关注区域（ROI）。(d) 沿着(b)图中line1和line2的横截面化学发光强度分布图。(e) TPE-BBT CLNPs和TPA-BBT CLNPs在ROI中的化学发光强度变化图。
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https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c07443
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唐本忠，中国科学院院士。1982年于华南理工大学获学士学位，1985年、1988年先后获日本京都大学硕士、博士学位。曾在多伦多大学化学与药学系从事博士后研究、日本NEOS公司中央研究所任高级研究员。现任香港中文大学（深圳）校长学勤讲座教授，香港中文大学（深圳）理工学院院长。2013年入选英国皇家化学学会会士，现任国际期刊Aggregate总编辑，以及20多家国际科学杂志顾问、编委或客座编辑等。主要从事高分子化学和先进功能材料研究，特别是在聚集诱导发光（Aggregation-Induced Emission, AIE）这一化学和材料前沿领域取得了原创性成果，是AIE概念的提出者和研究的引领者。已发表学术论文1600多篇，总引超144,000次，H影响因子为169。2014-2021年连续当选全球材料和化学领域“高被引科学家”。2002年获得由国家自然科学基金授予的“杰出青年学者”称号，2007年获国家自然科学二等奖、Croucher基金会高级研究员奖、中国化学会王葆仁奖和Elsevier杂志社冯新德奖，2012获Science China Chemistry杰出贡献奖，获2017年度何梁何利基金科学与技术进步奖、国家自然科学一等奖（第一完成人，2017年度），并获得科技盛典-CCTV 2018年度科技创新人物，2021年荣获Nano Today Award奖项并入选世界排名前2%科学家名单。
张凡，复旦大学教授，博士生导师，国家杰出青年基金获得者、中组部青年拔尖人才（万人计划）。2020年成立上海市生物医学检测试剂工程研究中心，担任中心主任。主要研究领域包括生物纳米技术及生物分析, 如早期癌症诊断与治疗，药物储存与释放，体内与体外生物成像等。发表SCI论文100余篇，其中包括Nat. Mater.， Nat. Nanotechnol. (3篇)，Nat. Rev. Bioeng.等Nature系列论文12篇，J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Mater.等论文40余篇，他引22000余次，H index 85，累计超过40篇论文入选ESI高被引论文，2018-2021入选科睿唯安全球高被引学者。撰写出版英文专著2部（英国皇家化学会出版社和德国Springer-Nature出版社）。获得教育部自然科学一等奖、侯德榜化工科技奖、上海市科技进步奖等奖、上海市青年英才科技奖等荣誉。受邀在Nature conference等重要国际会议上作大会邀请报告30余次，同时担任国际期刊Frontiers in Chemistry (Nanoscience Section) 执行主编，及国内外学术期刊编委。
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