近紅外II區(qū)(波長(zhǎng)在1000-1700 nm)光學(xué)成像由于其較高的穿透深度和信噪比,在精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)方面展現(xiàn)了巨大潛力。特別是波長(zhǎng)在1500-1700 nm的近紅外IIb區(qū)域,由于其極低的組織自發(fā)熒光和較低的光散射,因而被稱(chēng)為活體成像的黃金區(qū)域。目前近紅外IIb熒光探針主要以無(wú)機(jī)納米(稀土元素)顆粒,而生物相容性好的有機(jī)納米探針較少報(bào)道。這是由于有機(jī)材料的熒光效率在近紅外IIb區(qū)域會(huì)顯著降低,而不到成像的要求。因此,急需提供一種簡(jiǎn)單有效的策略用以設(shè)計(jì)有機(jī)近紅外IIb探針,并用于生物活體成像。
為解決這一難題,近日,香港科技大學(xué)唐本忠院士團(tuán)隊(duì)和浙江大學(xué)錢(qián)駿教授提出了一種設(shè)計(jì)有機(jī)近紅外IIb分子的新策略:在分子層次調(diào)控分子內(nèi)扭曲電荷轉(zhuǎn)移(TICT)效應(yīng)和在形態(tài)層次調(diào)控聚集誘導(dǎo)發(fā)光(AIE)性質(zhì),從而成功得到既具有長(zhǎng)發(fā)射波長(zhǎng)(1000-1600 nm)又具有較高熒光量子效率(11.5%)的近紅外IIb探針,并且用于血管和腸道臟器的高分辨成像。
圖 1. 分子設(shè)計(jì)策略示意圖。
具體設(shè)計(jì)理念如圖1所示,在分子層次上,具有扭曲給體-受體結(jié)構(gòu)的AIE分子在極性溶劑如水的誘導(dǎo)下,容易到達(dá)TICT態(tài),導(dǎo)致分子發(fā)射紅移但熒光強(qiáng)度降低;在形態(tài)層次上,即分子組裝成納米顆粒后,AIE分子由于分子內(nèi)運(yùn)動(dòng)部分受限,在聚集態(tài)熒光會(huì)顯著增強(qiáng)。但是,由于AIE分子一般富含分子轉(zhuǎn)子并且呈扭曲結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)會(huì)使AIE分子在聚集態(tài)下仍可以進(jìn)行分子內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng),從而有利于TICT態(tài)的形成。將兩者有機(jī)結(jié)合,在聚集態(tài)下就可以得到既有長(zhǎng)發(fā)射波長(zhǎng)又有高量子效率的AIE材料。
圖2. 分子結(jié)構(gòu)及光物理性質(zhì)。
以該策略為指導(dǎo),作者設(shè)計(jì)了三個(gè)具有強(qiáng)給體-受體性質(zhì)的AIE分子,分子都表現(xiàn)出明顯的TICT+AIE的性質(zhì),并且其發(fā)射都延長(zhǎng)到近紅外IIb 區(qū)域(圖2)。其中,2TT-oC26B 最大發(fā)射在~1030 nm,同時(shí)其發(fā)射波長(zhǎng)延長(zhǎng)到1600 nm。
圖3. 全身血管成像。
為了驗(yàn)證該分子能否用于活體成像,作者將該分子與兩親性聚合物組裝成水分散的納米材料。小鼠尾靜脈注射之后納米材料,進(jìn)行全身血管成像。通過(guò)加置不同波長(zhǎng)的長(zhǎng)通濾光片,以比較傳統(tǒng)近紅外二區(qū)和近紅外IIb 區(qū)域熒光成像區(qū)別(圖3)。近紅外IIb窗口下的小鼠具有很弱的背景信號(hào)干擾,相比較傳統(tǒng)近紅外II區(qū)具有更高的分辨率和信噪比。
圖4. 腸道成像。
為進(jìn)一步體現(xiàn)近紅外IIb穿透深度的優(yōu)勢(shì),作者又進(jìn)行了小鼠腸道成像,結(jié)果表明,相對(duì)于1100 nm LP和1200 nm LP,1500 nm LP下所得熒光圖像更加清晰,且能看到腸道溝壑等細(xì)微結(jié)構(gòu)。這也為克服熒光成像能夠“看穿”身體,進(jìn)行內(nèi)部臟器成像提供了技術(shù)手段。因此,通過(guò)在分子和形態(tài)層次上對(duì)分子的巧妙調(diào)控,成功合成了有機(jī)NIR-IIb染料,并且實(shí)現(xiàn)了高深度和高信噪比的活體成像。該分子設(shè)計(jì)策略為設(shè)計(jì)新型近紅外IIb有機(jī)材料提供了思路。
論文第一作者為李媛媛博士,博士生蔡朝沖和劉順杰博士,通訊作者為香港科技大學(xué)唐本忠院士和浙江大學(xué)錢(qián)駿教授。該工作也得到香港科技大學(xué)張浩可博士,黃庭熙同學(xué),林榮業(yè)教授,郭子健教授的大力支持。
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