【JACS】华东理工杨有军课题组|短波红外四苯并稠合硅罗丹明荧光染料:组织穿透深度(10.9毫米)、曝光时间(50毫秒)、采集时长(10天)及成像对比度(信号背景比大于8)的多方位突破

【JACS】华东理工杨有军课题组|短波红外四苯并稠合硅罗丹明荧光染料:组织穿透深度(10.9毫米)、曝光时间(50毫秒)、采集时长(10天)及成像对比度(信号背景比大于8)的多方位突破#

文章标题:Shortwave-Infrared (SWIR) Tetrabenzannulated Silicon-Rhodamine

文章作者:Danyang Wang, Bingya Wang, Weixi Geng, Yuyang Zhang, Xueli Wang, Zhetao Shen, Yangting Qiu, Xinru Hu, Yongkang Yao, Ning Jiang, Guangbo Ge, Jinquan Chen, Xiao Luo, Xuhong Qian, Ruwei Wei, Youjun Yang

文章链接https://doi.org/10.1021/jacs.6c07990

第一部分:研究动因#

短波红外(波长1000纳米及以上)荧光活体成像在生物医学诊断与手术导航中具有重大应用价值,但开发兼具高亮度和高稳定性的深长波长有机小分子荧光团一直是领域内的关键瓶颈。传统分子刚性化策略能够有效抑制可见光区染料的异构与旋转非辐射跃迁,但在红外区,非绝热微商耦合主导的分子振动耗散成为荧光淬灭的主要诱因,导致现有红外花菁等染料的荧光量子产率普遍低于0.01%,且母体碳桥连四苯并呫吨染料(EC7)亦受限于低量子产率(0.05%)与稳定性不足。为此,本研究旨在通过原子取代调控分子内部应力与振动自由度,理性构建硅桥连四苯并稠合硅罗丹明染料(ESi7),以克服振动耗散瓶颈,同时确立一套系统评估短波红外活体成像性能的标准体系。

Fig.1 Molecular engineering of long-wavelength xanthenoid dyes.#

第二部分:研究实施方案与关键实验结果#

研究团队基于“苯并稠合拓展波长、位阻屏蔽增强稳定、深度刚性化提升亮度”的三步设计策略,建立了创新的分子工程技术路线。在合成路线上,论文首次提出了以3-二烷基氨基苯硼酸酯苄溴衍生物为原料构建2-二烷基氨基蒽的新方法,克服了传统双锂试剂法无法构筑高级稠环硅罗丹明的困难,实现了染料ESi7的高效汇聚式合成。理论计算与机理分析表明,利用原子半径更大的硅原子替换原本的碳桥连核心,有效增大了中央六元环的分子内应力,显著抑制了低频振动自由度,从而从根本上阻断了非辐射衰变通道。

Fig.2 Convergent synthesis of (top) 2-dialkylaminoanthracene and (bottom) ESi7. Reaction conditions: (a) Pd(dppf)Cl2, K3PO4, Dioxane/H2O, 100 °C, 10 h. (b) POCl3, DMF, dichloroethane, 75 °C, 12 h. (c) CH3SO3H, CH2Cl2, r. t., 2 h. (d) 2-bromo-4-methylphenyl magnesium chloride, THF, 0 °C, 3 h. (e) HI, AcOH, 120 °C, 2 h. (f) (1) nBuLi, THF, −78 °C, 30 min. (2) Me2SiCl2, THF, −78 °C, 30 min. (3) KMnO4, MeCN, −10 °C, 2 h. (g) NBS, AIBN, CHCl3, 70 °C, 6 h. (h) (1) 1,1-dimethylallylic bromide, KI, DMF, r. t., 12 h. (2) H2SO4, CH2Cl2, −10 °C, 30 min (i) (BPin)2, Pd(dppf)Cl2, Cs2CO3, Dioxane, 85 °C, 12 h. (j) (1) 2,6-dimethylphenyl lithium reagent, THF, 0 °C, 30 min. (2) CF3COOH, CH2Cl2, 0 °C, 30 min.#

Fig.3 Spectral studies of ESi7. (a) UV–vis absorption and fluorescence emission spectra of ESi7 (10 μM) in CH2Cl2 and their deconvolutional analysis. (b) HOMO/LUMO orbitals of ESi7. (c) fs-transient absorption spectra of ESi7 (10 μM) in CH2Cl2. (d) Kinetics traces at 920 and 1220 nm and fitting for lifetime. (e) Comparison of reorganization energies of EC7 and ESi7.#

光谱与光物理测试表明,ESi7在二氯甲烷中的吸收峰位于1176纳米(摩尔吸光系数达2.38×105 M1cm12.38 \times 10^5\text{ M}^{-1}\text{cm}^{-1}),荧光发射峰位于1275纳米。其荧光量子产率达到0.19%,相比碳桥连前体EC7提升了近4倍,荧光亮度达到452 M1cm1452\text{ M}^{-1}\text{cm}^{-1};瞬态吸收光谱测得其激发态寿命延长至30皮秒(高于EC720皮秒)。在光稳定性和化学稳定性测试中,ESi71064纳米激光连续照射60分钟后无光漂白现象,对活性氧(过氧亚硝酸根)的耐受性明显优于EC7;细胞毒性实验显示其在10微摩尔/升浓度下细胞存活率维持在95%以上

Fig.4 PEAK evaluation of the performance of ESi7 in in vivo imaging. (a) Evaluation of the “Penetration depth” of ESi7 in 1% intralipid phantom. ICG, ESi5, IR1061, and EC7 were used as benchmark dyes for side-by-side comparison. Imaging parameters of ICG: 808 nm/100 mW•cm–2/7 ms/1000 nm LP; ESi5: 880 nm/100 mW•cm–2/20 ms/1100 LP; IR1061, EC7, and ESi7: 1064 nm/100 mW•cm–2/50 ms/1400 nm LP. (b–e) Evaluation of the “Contrast” of ESi7 (2.5 mg/kg) in BALB/c mice. ESi7 was encapsulated by DSPE-mPEG5000 and tail vein-injected. Whole-body angiography images were taken at three different positions, i.e., (b) ventral, right side, and dorsal with injection. Imaging parameters: 1064 nm/120 mW•cm–2/500 ms/1400 nm LP. Scale bar: 5 mm. (c) Stereomicroscopic imaging of the fem0ral vein and artery through a 0.64× objective with different long-pass (LP) filters at 1200, 1300, and 1400 nm, respectively. Imaging parameters: 1064 nm/60 mW•cm–2. Scale bar: 2 mm. (d) Evaluation of the “Exposure time” of ESi7 (2.5 mg/kg, encapsulated by DSPE-mPEG5000) by stereomicroscopic imaging of the hindlimb vasculature at different exposure times from 50 to 800 ms. Imaging parameters: 1064 nm/60 mW•cm–2/1400 nm LP. Scale bar: 2 mm. (e) Evaluation of the “Acquisition duration” of ESi7 by monitoring the in vivo clearance of tail vein-injected ESi7 (2.5 mg/kg, encapsulated by DSPE-mPEG5000) in a period of up to 240 h. Imaging parameters: 1064 nm/120 mW•cm–2/500 ms/1400 nm LP. Scale bar: 5 mm.#

在活体与组织模拟验证阶段,采用1% 脂肪乳模型测定穿透深度,ESi7的穿透深度达到10.9毫米,显著超越同等条件下的EC79.5毫米)、IR10617.0毫米)、ESi53.7毫米)和临床经典染料吲哚菁绿ICG2.6毫米)。经磷脂聚乙二醇纳米包裹后,研究人员开展了小鼠全身血管造影与立体显微成像:在1064纳米激发和1400纳米长通滤光下,股静脉成像的信号背景比高达8.3;成像曝光时间可缩短至50毫秒以实现高质量实时视频采集;体内代谢监测显示其成像有效采集时长可长达10天。此外,结合短波长的ESi5,团队成功完成了小鼠肠道与血管的无串扰双通道活体成像。

Fig.5 Evaluation of the potential of ESi7 in multiplexed in vivo bioimaging. (a) Absorption spectra of ESi5 and ESi7 in CH2Cl2. (b) Fluorescence images of ESi5 (6 μM) and ESi7 (2 μM) in CH2Cl2 under 880 nm/100 mW•cm–2/20 ms/1200 nm LP and 1064 nm/100 mW•cm–2/50 ms exposure time/1400 nm LP, respectively. (c) Schematic illustration of the dual-channel imaging procedure for the mice’s intestine (880 nm) and vasculature (1064 nm). (d–f) Small intestine, whole body vasculature, and the overlay images of BALB/c mice. Imaging parameters of ESi5: 880 nm/100 mW•cm–2/150 ms/1200 nm LP, at 1.5 mg/kg; ESi7 nanoparticles: 1064 nm/120 mW•cm–2/500 ms/1400 nm LP, at 2.5 mg/kg. Scale bar: 5 mm. (j-l) Linescan intensities of three selected different regions of Figure 5f,i.#

第三部分:创新与提升#

本研究的核心突破在于确立了“通过大半径硅原子取代引入环应力、抑制低频分子振动”的红外染料增亮机制,成功合成了吸收与发射突破千纳米极限的超亮硅罗丹明染料ESi7,解决了短波红外小分子荧光团量子产率极低的核心痛点。基于其在组织穿透深度(10.9毫米)、曝光时间(50毫秒)、采集时长(10天)及成像对比度(信号背景比大于8)的优异表现,论文首次系统提出了衡量短波红外活体成像质量的“PEAK”评价标准,为后续深长波长荧光探针的设计开发与活体定量评价提供了重要范式。

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作者
Fluolab
发布于
2026-08-20
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