Fluolab【JACS】突破1500纳米：短波红外荧光染料带来的动态体内成像革命
短波红外（SWIR）成像技术近年来在生物医学领域取得了显著进展。这项技术利用1000-2000纳米范围内的电磁波进行光学成像，具有低散射、高分辨率的优点，尤其适用于深层组织的高精度成像。然而，要实现高效的SWIR成像，需要高亮度、长波长发射的荧光染料，而现有的多数小分子染料由于量子产率受能量间隙律的限制，在SWIR区域的亮度较低。近期的一项研究通过延长多甲川链，成功开发出吸收峰可达1149纳米、发射超过1500纳米的有机荧光染料，显著提升了SWIR成像的深度和分辨率。
SWIR成像的优势与挑战
在生物医学成像中，光的散射和组织自发荧光是影响成像质量的两大因素。相较于近红外（NIR，700-1000纳米）成像，SWIR成像在更长波长范围内减少了组织散射，同时在1350-1450纳米的水吸收带成像时可以获得卓越的分辨率。此外，在1500纳米以上的波长进行成像时，可以同时实现深度穿透和高分辨率。然而，要实现这些优势，需要开发合适的荧光染料，以确保在这些波长范围内仍然具有足够的亮度。
非甲川染料的创新突破
研究人员此次采用多甲川链扩展的方法，以提高荧光染料的吸收和发射波长。非甲川染料（Nonamethine dyes）具有更长的共轭链结构，使其吸收光谱可延伸至1149纳米，尾部发射则超过1500纳米。实验显示，Chrom9和JuloFlav9这两种非甲川染料不仅突破了传统荧光染料的波长限制，还成为目前亮度最高的有机荧光体之一，其最大消光系数约为10⁵ M⁻¹ cm⁻¹，量子产率最高可达0.5%。
多色SWIR成像的实现
研究团队在此次研究中首次实现了基于1060纳米和1150纳米激发的全SWIR双色成像，并利用1500纳米以上的发射光进行高分辨率检测。这一突破意味着，未来的体内成像可以同时利用多个光通道获取更丰富的信息，进一步增强生物医学分析的精确度。此外，该研究还结合了其他SWIR染料，在不受限的小鼠体内成功进行五色成像，突破了小分子荧光染料在光学成像中的通道数量限制。
非甲川染料的应用前景
除了在SWIR成像领域的突破，这些非甲川染料还展示了良好的生物兼容性和化学稳定性。在细胞实验中，这些染料的微胞封装表现出低毒性，同时在血清和水环境中仍能保持较高的稳定性。这意味着它们未来可以被进一步开发为用于临床诊断和生物医学研究的生物标记物。例如，它们可以用于实时监测血管化过程、肿瘤微环境变化以及神经活动，拓宽生物光学成像的应用领域。
未来发展方向
研究团队计划进一步优化染料的递送方式，以提高其在体内的溶解性和靶向性。例如，通过改进微胞封装或者开发更具水溶性的染料，可以增强染料在生物系统中的可用性。此外，利用这些染料进行精准医疗，如血液循环监测、神经功能成像以及组织修复跟踪，也将是未来发展的重要方向。
结论
本研究不仅开发了新型非甲川染料，还通过优化激发波长和发射窗口，实现了前所未有的SWIR双色和五色成像。借助这些突破，我们可以更高效地获取生物成像数据，并推动生物医学研究向更高精度、多色、多维的方向发展。这一成果不仅为光学成像技术提供了新的可能性，也为未来生物医学诊断和治疗奠定了坚实的基础。未来，通过进一步的化学和技术优化，这些染料将在生命科学研究、医疗成像以及临床诊断等领域发挥越来越重要的作用。
参考文献
Spearman, A. L.; Lin, E. Y.; Mobley, E. B.; Chmyrov, A.; Arús, B. A.; Turner, D. W.; Garcia, C. A.; Bui, K.; Rowlands, C.; Bruns, O. T.; Sletten, E. M. High-Resolution Multicolor Shortwave Infrared Dynamic In Vivo Imaging with Chromenylium Nonamethine Dyes. J. Am. Chem. Soc. 2025, 147 (20), 17384–17393. https://doi.org/10.1021/jacs.5c03673.