Fluolab
Search K

切换日光/暗黑模式

【Adv.Mater.】突破亮度瓶颈！两大策略打造117.5 M⁻¹cm⁻¹超亮NIR-II荧光材料 ​

近红外二区（NIR-II, 900–1700 nm）荧光成像技术因其低自发荧光背景、深组织穿透力和高空间分辨率，正在迅速改变生物医学成像的格局。然而，实现高亮度的NIR-II分子荧光探针仍面临巨大挑战，尤其是在分子聚集态下同时保持高吸收系数与高荧光量子效率。本文提出“分子锁定”和“分子包裹”双重策略，成功开发出亮度高达117.5 M⁻¹cm⁻¹的DETTD纳米颗粒，为体内高分辨率成像提供了强有力的工具。 image.png

🌟一、NIR-II成像的优势与挑战 ​

NIR-II荧光成像技术具有以下显著优势：

  • 低背景干扰：组织在该波段的自发荧光极低，有利于提高信噪比。
  • 深层穿透能力：可穿透数毫米至厘米级组织，适用于深部器官成像。
  • 高空间分辨率：散射减少，成像更清晰。 image.png

但要实现这些优势，关键在于开发具有高亮度的荧光材料。亮度由吸收系数与荧光量子效率（QY）共同决定，而传统有机小分子在聚集态下常因π-π堆积导致荧光猝灭，严重限制其应用。

🧪二、三步合成策略：从DTTD到DETTD ​

研究团队设计了三种具有D-π-A-π-D结构的分子：

  1. DTTD：初始结构，分子骨架扭曲，吸收系数低，聚集态下荧光猝灭严重。
  2. DMTTD：通过“分子锁定”策略，将供体苯环与桥接噻吩锁定，骨架平面化，吸收系数提升至3.57 × 10⁴ M⁻¹cm⁻¹。
  3. DETTD：在DMTTD基础上引入两条支链烷基，实现“分子包裹”，有效抑制分子间作用，最终获得亮度高达117.5 M⁻¹cm⁻¹的纳米颗粒。 image.png

该策略在分子层面提升吸收能力，在聚集态下抑制荧光猝灭，形成了完整的设计范式。

📊三、理论计算与光物理性能分析 ​

通过密度泛函理论（DFT）计算，研究发现：

  • DETTD分子能级间隙为1.35 eV，较DTTD（1.46 eV）更小，有利于红移吸收。
  • 分子几何结构更趋平面化，π共轭增强，吸收强度提升。
  • 电势图显示DETTD表面电荷分布均匀，支链有效阻止分子间紧密堆积。

光谱测试结果表明：

  • DETTD在THF中吸收峰位于794 nm，荧光发射峰在1060 nm，覆盖NIR-IIx区（1400–1500 nm）。
  • 纳米颗粒尺寸均匀（80–100 nm），PDI < 0.3，适合体内应用。
  • DETTD纳米颗粒在水中仍保持高吸收系数（2.35 × 10⁴ M⁻¹cm⁻¹）与良好荧光强度。

image.png

🧬四、抗猝灭机制验证：晶体学与分子动力学模拟 ​

单晶结构分析显示：

  • DMTTD晶体中分子紧密堆积，距离仅3.762 Å。
  • DETTD晶体中存在两类二聚体，距离分别为3.565 Å与7.698 Å，支链有效阻止近距离堆积。

分子动力学模拟进一步证实：

  • DETTD在水中形成松散聚集体，分子间距大于6 Å，猝灭作用显著减弱。
  • 相比传统屏蔽策略（如氟烯端基），DETTD的中心包裹设计更具空间阻碍效果。 image.png

🧫五、体内成像表现：血管与胃肠道清晰可见 ​

在小鼠体内成像实验中，DETTD纳米颗粒表现出卓越性能：

  • 血管成像：使用1200 nm长通滤光片，DETTD成像对比度高，背景干扰少，FWHM仅0.057 mm。
  • 胃肠道成像：口服后3小时，小肠清晰可见，使用1400 nm滤光片成像分辨率更高，FWHM降至0.63 mm。
  • 生物安全性：无明显ROS生成，细胞毒性低，24小时后基本清除，无器官蓄积。

这些结果表明，DETTD纳米颗粒不仅亮度高、稳定性好，还具备优异的生物相容性与成像能力。 image.pngimage.png

🎯六、总结与展望 ​

本研究通过“分子锁定”与“分子包裹”双重策略，成功解决了NIR-II荧光材料在亮度提升上的两大难题：

  • 提高吸收系数：骨架平面化增强π共轭。
  • 抑制荧光猝灭：支链包裹阻止分子堆积。

最终开发出的DETTD纳米颗粒亮度高达117.5 M⁻¹cm⁻¹，在血管与胃肠道成像中表现出色，为高分辨率体内成像提供了新工具。该策略为未来NIR-II荧光材料的设计提供了通用范式，具有广泛的应用前景。

📌推荐关注：如果你对纳米医学、荧光成像或分子设计感兴趣，不妨持续关注这类高亮度材料的研究进展，它们正悄然改变精准医学的未来。

文章信息 ​

📚文章标题：Achieving High-Brightness NIR-II Emission: Molecular Locking and Wrapping Strategies in Fluorescent Material Design for in Vivo Bioimaging 作者：Chun-Sing Lee 期刊：Advanced Materials 链接：https://doi.org/10.1002/adma.202510386