🚀 【Angew. Chem.】颠覆性材料：新型“椅子”分子让NIR荧光亮度暴增2倍，STED成像分辨率提升7倍！

✨文章标题：Hybrid Planar–Twisted Chair-Shaped Indoline Donor Enabling Bright Molecular and Aggregated State Near-Infrared Emission ✉️作者：Prof. Weijun Zhao等 🔗链接：https://doi.org/10.1002/anie.202522144

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一、从“痛点”到“突破”：为什么“光”的效率如此难搞？

在尖端生物医学和光电器件领域，近红外（NIR）荧光染料扮演着“指路明灯”的角色。由于近红外光波长更长，它们能更深地穿透生物组织，同时显著减少光散射和自发荧光干扰，为实时生物成像和高分辨诊断提供了无与伦比的优势。想象一下，医生可以清晰地看到皮下深处的血管网络，甚至微小的病变组织，这就是NIR染料的终极价值。

然而，传统的有机NIR荧光团在实际应用中却面临着一个巨大的“效率困境”。它们通常采用“供体-受主”（D-A）结构设计，理论上可以实现长波长发射。但问题在于，这些分子往往“性格古怪”：

如果采用平面供体（如咔唑），分子在聚集状态下会紧密堆叠，发生严重的“聚集导致淬灭”（ACQ）效应，荧光效率会一落千丈。

如果采用高度扭曲的供体（如三苯胺），虽然可以抑制聚集淬灭，但吸收能力又会变得很弱，就像一个“挑食”的光捕手，最终导致整体发光亮度不足，无法满足高分辨率成像的需求。

如何在保证长波长发射的同时，又能在各种状态下（溶液、固态、纳米颗粒）都保持高亮度，成为了有机光子学领域最棘手的瓶颈之一。这篇发表在《Angewandte Chemie International Edition》上的研究，正是来彻底解决这个“鱼与熊掌不可兼得”的难题。

二、核心方法与技术细节解密：打造“平面-扭曲”的完美混合体

上海华东理工大学的研究团队，并没有简单地在平面和扭曲之间进行妥协，而是提出了一种独创的分子工程策略：设计出一种独特的 “椅子形吲哚啉供体”（chair-shaped indoline donor，简称cID）。

他们通过在吲哚啉核心引入一个空间立体五元环，巧妙地构造出一种 “混合平面-扭曲” 的分子构象，如同打造了一把结构刚硬、又略带扭曲的“豪华椅子”。这个设计精妙之处在于：

1. 结构创新：“椅子”的刚性与非平面性

传统的供体就像一张平坦的纸，很容易紧密堆叠在一起导致荧光淬灭。而cID供体就像一把立体感十足的椅子，它具有两个关键的非平面扭曲角度：

• 五元环内部扭曲： 形成一个独特的融合五环骨架，内部二面角扭曲达到约。

• 苯基转子扭曲： 连接的共轭苯基转子与分子核心之间存在一个高达约的二面角。

这种杂化平面-扭曲构象，既保留了部分平面构型以增强共轭，又引入了恰到好处的空间位阻，就像在分子周围建起了一道“隔离墙”，有效限制了分子间的紧密堆叠，从而在聚集态下大大抑制了ACQ效应。实验数据也印证了这一点，cID-B晶体结构分析显示，分子间的接触比例极低，仅占总分子间作用力的约，这正是其抗ACQ特性的关键。

2. 电子优势：电子的“居家定位”效应

cID供体引入的非共轭位阻基团，在电子层面带来了革命性的变化——电子局部化效应。

你可以把供体看作是电子的“家”。在传统的平面供体中，电子过于分散（就像一盘散沙）；而在高度扭曲的供体中，共轭又被过度削弱，电子的“捐赠”能力不足。

cID供体的设计，使得电子云更有效地 “定居” 在供体单元上。这种增强的电子局部化带来了两大优势：

• 它将最低未占据分子轨道（LUMO）和最高占据分子轨道（HOMO）之间的能隙（）显著缩小。能量差距越小，发射光的波长就越长，从而实现发射红移至NIR区域。

• 它赋予了cID超强的电子给予能力，显著提升了振子强度（）。振子强度是衡量分子吸收光能力的关键指标，越大，分子的光捕获能力就越强。

3. 动力学控制：抑制非辐射衰减的“减震器”

“光”的损失主要来自非辐射衰减，也就是分子吸收能量后，不是以发光（荧光）的形式释放，而是以热量或振动的方式浪费掉。

cID供体中刚性的非平面结构，起到了一个“分子减震器”的作用。它有效地限制了低频振动引起的非辐射衰减。

在理论计算中，研究人员引入了两个关键参数：

• 重组能（）： 衡量分子在光激发前后几何结构变化的难易程度。越低，结构越刚硬，非辐射衰减倾向越小。cID-B的总重组能在所有对比的D-A荧光团中最低（晶相为），证明了其卓越的结构刚性。

• Huang-Rhys因子（）： 衡量电子跃迁与振动模式耦合的强度。越小，非辐射跃迁的可能性越低。cID-B的因子在孤立相和晶相中都是最小的（孤立相约，晶相约），表明其对低频振动模式的有效抑制。

简而言之，cID供体实现了“吸收能力提升、发射波长拉长、能量损失减少”的完美三重奏，从根本上解决了传统NIR荧光团的效率问题。

三、数据背后的创新与颠覆性分析：效率和精度的革命

cID供体的设计优势，在关键的性能指标上得到了震撼性的体现。通过结构共轭扩展，研究人员合成了一系列基于cID的荧光团，包括D-A型的cID-B、D-A-D型的2cID-B以及D--A--D型的2cID-T。

1. 亮度：光捕获能力和荧光量子效率的双重飞跃

cID-B相比传统供体（如咔唑、三苯胺衍生物）表现出压倒性的优势：

• 光捕获能力暴增： cID-B的振子强度（） 最高，这直接导致其摩尔消光系数（molar extinction coefficient, ）增强，最大增幅接近2倍。

• 荧光效率的突破： D-A-D结构的2cID-B在溶液中展现出高达的光致发光量子产率（PLQY）。这与传统ACQ染料在溶液中效率高、固态效率低的表现截然不同。

• 长波长红移： 相比传统供体衍生物，cID-B的发射波长红移超过，达到了。更重要的是，通过共轭扩展后的2cID-T，其最大发射峰被推至，尾部发射甚至延伸到了的NIR-IIb窗口。

更具颠覆性的是，在聚集态（如纳米颗粒和薄膜）下，cID衍生物依然保持着高效率，展现出显著的聚集诱导发光增强（AIEE）特性。例如，2cID-B在DMSO/混合体系中的荧光强度增强了23倍。其纳米颗粒PLQY高达，晶态固态PLQY也达到了，彻底打破了传统NIR染料在聚集态下效率低下的魔咒。

2. 应用验证一：工业无损检测中的“火眼金睛”

利用cID基荧光团的AIE特性，研究人员将其嵌入聚苯乙烯微球（），用于多孔陶瓷的微损伤检测。多孔陶瓷因其结构多孔性，表面和亚表面裂纹极难发现。

微球的平均直径为，恰好与孔径的多孔陶瓷裂缝尺寸兼容。将微球浸润、清洗后，微球只会选择性地滞留在裂纹区域。

• 结果： 在紫外光激发下，只有处理的陶瓷在裂纹处显示出明亮的红色荧光，实现了对陶瓷裂纹的清晰可视化，信噪比（SNR）高达86。这为工业陶瓷的无损检测提供了一种前所未有的高灵敏度、高对比度的检测方法。

3. 应用验证二：超分辨成像精度提升7倍

超分辨荧光显微镜，尤其是受激发射损耗（STED）显微镜，是突破传统光学衍射极限的关键技术。但它需要荧光团具备极高的抗光漂白能力和较低的饱和强度。

研究团队将2cID-B封装成纳米颗粒（，直径约）应用于STED成像。

• 超高稳定性： 在连续帧扫描中，2cID-B NPs的荧光强度几乎保持稳定，而市售探针强度显著下降，展现了卓越的抗光漂白能力。

• 高效激发： 在STED纳米镜中，2cID-B NPs仅需的低饱和强度即可实现高效损耗，最大限度地减少了光损伤。

• 分辨率革命： 相比传统的共聚焦激光扫描显微镜（CLSM），STED纳米镜使用2cID-B NPs实现了空间分辨率的巨大飞跃，全宽半高（FWHM）值从和锐减至以下，最高实现了7倍的分辨率提升。这表明cID基荧光团是新一代超分辨成像的理想选择。

4. 应用验证三：NIR-IIb窗口活体深层血管成像

利用共轭扩展的D--A--D结构2cID-T，研究人员制备了发射波长更长的（平均直径约），并将其应用于活体小鼠的NIR-II窗口成像。

• 效率对比： 在NIR-IIb窗口（）的PLQY达到了****，高于其对应三苯胺衍生物（）和商业NIR-II染料IR26（），是IR26亮度的近2倍。

• 活体成像： 经静脉注射后，2cID-T NPs在小鼠体内迅速实现血管网络可视化。通过将长通滤光片从逐步延伸到，图像对比度显著提高，背景干扰大幅减少。

• 精度证明： 截面分析显示，使用更长波长（）检测，FWHM减少了（从降至），信噪比增加了（从升至）。这表明能够在活体深层组织中提供高空间分辨率的血管成像。

四、应用展望、局限性与未来路线图

cID供体的设计策略，为构建兼具高亮度和长波长发射的NIR荧光团提供了一个新范式。其最突出的贡献在于证明了：通过巧妙的分子工程设计，可以在同一分子内协同增强光捕获能力（高）和抑制非辐射衰减（低和）。

1. 潜在应用场景

这项技术有望在以下领域引发革命：

• 超高分辨生物成像： 在STED成像中展示的亚分辨率，使其成为追踪细胞内精细结构、研究分子动力学（如脂滴）的强大工具。

• 早期诊断与导航： 在NIR-II/IIb窗口的高信噪比血管成像能力，预示着其在深层肿瘤、血管疾病的精确早期诊断和术中荧光引导方面具有巨大潜力。

• 光电器件： 作为一种高效的D-A单元，cID衍生物在固态下仍保持高PLQY，可用于高性能有机发光二极管（OLED） 和染料敏化太阳能电池的开发。

2. 局限性与未来路线图

尽管成果令人振奋，但该研究仍存在一些需要进一步探索的方面：

• 生物兼容性与长期毒性： 虽然在测试浓度下显示出良好的细胞活性，但其体内长期代谢过程、生物安全性（特别是PEG-DSPE封装）以及最终的长期排泄路径，需要更全面的活体实验数据来支持其临床转化。

• NIR-IIb效率的提升： 虽然在NIR-IIb窗口（尾部延伸至）的效率（）已经很高，但为了实现更深、更清晰的组织穿透，未来的工作需要继续优化分子结构，以达到更高的NIR-IIb PLQY（例如超过）。

• 多功能集成： 目前的研究主要集中在成像应用。未来的发展路线图将包括将cID基荧光团集成到光动力疗法（PDT）、光热疗法和光声热疗等多种治疗平台中，构建多功能“诊疗一体化”纳米平台，实现从高精度诊断到精准治疗的闭环。

总而言之，cID供体以其独特的“椅子”构型，成功地在有机荧光染料领域撕开了一道缺口，为下一代高性能近红外光子材料库的创建，打下了坚实的基础。我们有理由相信，这项技术将在未来几年内，深刻影响高分辨生物成像和精准医学的发展。