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【Angew.Chem.】大连理工彭孝军院士等|450 nm可见光激活、700 nm近红外发射与268 ms寿命:激发态构象动态学赋能高对比度活体肿瘤成像

【Angew.Chem.】大连理工彭孝军院士等|450 nm可见光激活、700 nm近红外发射与268 ms寿命:激发态构象动态学赋能高对比度活体肿瘤成像#

文章标题:Excited-State Conformational Dynamics Enables Visible-Light-Activated Near-Infrared Phosphorescent Nano-Assemblies for Bioimaging

通讯作者:Yingxiao Mu, Mingle Li, Xing Feng, Xiaojun Peng

文章链接:https://doi.org/10.1002/anie.5778721

文章概要#

近红外超长有机磷光材料由于具备较长的发光寿命,能够在激发光关闭后避开生物组织的自发荧光背景,因而在高对比度生物成像领域展现出巨大应用前景。然而,绝大多数有机磷光材料受限于紫外光激发和可见光发射,兼具可见光长波长激活与高效率近红外超长发光系统依然极其罕见。本研究提出了基于激发态构象动态学的分子设计新策略,成功开发出一种可被450 nm可见光高效激活的近红外超长有机磷光客体分子。该分子在635 nm和700 nm处展现出强烈的近红外磷光发射,发光寿命达到268 ms磷光强度达12 cd/m²。结合基质隔离纳米组装技术,研究团队进一步构建了具有良好水分散性与缺氧响应能力的近红外磷光纳米探针。该探针在小鼠活体肿瘤成像中成功实现了高达39.47的信噪比(SBR),甚至能够被普通手机手电筒照射激活,为开发深层组织成像的有机发光探针开辟了全新路径。

引言#

光学生物成像技术以其无创、实时和高空间分辨率等优势,在疾病诊断与细胞机制研究中扮演着核心角色。然而,传统的荧光探针往往存在荧光寿命短(纳秒级)的问题,容易受到生物组织自发荧光以及激发光散射的强烈干扰,从而限制了深层成像的对比度与准确性。相比之下,超长有机磷光材料能够在去除激发光源后继续维持可观测的余辉发射,彻底消除组织自发荧光,大幅提升成像信号与背景的比值。

尽管超长有机磷光材料优势显著,但目前绝大多数分子系统仍面临严重的性能瓶颈。一方面,传统分子的吸收带多集中于紫外光区域,紫外辐射不仅穿透深度有限,还容易对活体组织造成光毒性伤害;另一方面,材料的发射波长大多局限于可见光波段(400–600 nm),难以穿透深层生物组织。虽然引入分子内电荷转移作用可以有效缩小分子能级带隙并展宽吸收光谱,但强烈的电荷转移态往往伴随着剧烈的非辐射跃迁,导致磷光发光效率发生严重猝灭。此外,具有大平面共轭结构的有机磷光分子在加工成水相纳米颗粒时,极易发生聚集诱导磷光猝灭现象。如何在分子层面平衡电荷转移与非辐射衰减,并在纳米层面克服聚集猝灭,是实现高性能近红外有机磷光生物探针的关键科学难题。

主要实验及结论#

如图1所示,研究团队从分子设计与纳米组装两个维度提出了协同解决策略。在分子设计层面,团队选择具有低三线态能级的芘作为发光核心,通过在不同取代位置引入具有强吸电子特性的硝基,系统调控分子内电荷转移特性。研究发现,将硝基从对位(对应分子py-2pNO2)调整至间位(对应分子py-2mNO2),可以显著改变硝基苯环与芘环之间的立体空间相互作用与电子分布。在纳米组装层面,团队采用了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)高分子基质隔离策略,将发光客体分子高度分散并隔离在聚合物链间,随后利用两亲性嵌段共聚物F127进行表面包裹,成功构建出具备优异水分散性的近红外超长有机磷光纳米组装体。

Fig.1 (a) Molecular design logic of target compounds and photophysical process of visible light-excited NIR-UOP. (b) Nano-assembly approach for constructing NIR-UOP nanoparticles.#

如图2所示,研究团队在PMMA掺杂薄膜中对系列分子(py-2OCH3、py-2pNO2和py-2mNO2)的光物理性质进行了详细对比。相比于甲氧基取代的py-2OCH3,硝基取代分子的吸收与激发光谱显著展宽并延伸至可见光区域,其稳态荧光发射分别红移至535 nm和550 nm。当切断365 nm激发光源后,py-2mNO2表现出最佳的近红外超长磷光性能,其主发射峰位于635 nm和700 nm磷光寿命长达268 ms发光强度高达12 cd/m²磷光量子效率达到4.6%,在撤去光源后余辉肉眼可见持续长达2秒。更为关键的是,监测700 nm发射的激发光谱显示,py-2mNO2的吸收响应带可延伸至500 nm。实验证明,该分子在450 nm可见光照射下依然能够被有效激活,并产生明显的700 nm近红外超长磷光。

Fig.2 (a) PL spectra of py-2OCH3, py-2pNO2, and py-2mNO2 films (_m_PMMA:_m_guest = 300:1) in steady state (_λ_ex = 330 nm) and delay 8 ms (_λ_ex = 365 nm) at room temperature. (b) UOP intensity for three target doped films (The response time interval of the photometer used is 0.3 s; the power of the UV flashlight used for measuring phosphorescence intensity is 5 W. The recorded phosphorescence intensity is the first response value detected by the photometer after the UV light is turned off). (c) Emission decay curves of three doped films peaked at 700 nm (_λ_ex = 360 nm). (d) The photograph of doped films under UV lamp (_λ_ex = 365 nm) and at a delay of 0.25 s. (e) Excitation spectra of py-2OCH3, py-2pNO2, and py-2mNO2 films peaked at 700 nm. (f) Delay emission of three films under visible light excitation (delay 8 ms; _λ_ex = 450 nm).#

如图3所示,为了揭示长波长激活与高发光效率的微观机制,团队开展了极性溶剂光谱实验与变温核磁共振测量。光谱结果表明,py-2mNO2在非极性环己烷中仅呈现415 nm的局域激发态(LE)发光,而在高极性溶剂四氢呋喃中则展现出415 nm与550 nm的双重发光特性。随着溶剂极性增加,550 nm处的长波长发射峰显著增强并发生红移,展现出典型的分子内电荷转移(CT)特征。变温核磁共振谱图显示,随着温度升高,硝基苯环与芘环上的质子信号发生明显的化学位移上场移动与峰形展宽,证实了分子内单轴旋转导致的构象快速互变。密度泛函理论计算进一步证实,py-2mNO2在单重态S1态的二面角从基态的122°动态旋转至140°,存在局域激发势洼与电荷转移势洼。在刚性PMMA基质中,聚合物网络限制了分子的自由扭转,将分子锁定在具有强电荷转移特性的构象中,从而大幅提升了长波长可见光的吸收与激发效率。

Fig.3 (a) Solvent polarity-dependent spectra of py-2mNO2 at room temperature (c = 1×10−5 mol/L, _λ_ex = 330 nm). (b) Excitation spectra of py-2mNO2 in THF (c = 1×10−5 mol/L, grey line: the excitation spectrum corresponding to the emission at 415 nm; red line: the excitation spectrum corresponding to the emission at 550 nm). (c) Emission decay curves of py-2mNO2 in THF peaked at 415 and 550 nm (c = 1×10−5 mol/L, _λ_ex = 375 nm). (d) Variable-temperature 1H NMR spectra of py-2mNO2 in DMSO-_d_6 from 25°C to 80°C. (e) The optimized geometric structure of py-2mNO2 in the S1 (_θ_1: the dihedral angle between the pyrene and the nitrobenzene on the right; _θ_2: the dihedral angle between the pyrene and the nitrobenzene on the left; red plane: the plane of the pyrene core; blue plane: the plane of the right benzene ring; grey plane: the plane of the left benzene ring). (f) Potential energy surface scans of py-2mNO2 in S0, S1, and T1 as a function of _θ_1 variation (_θ_2 = 140°). (g) NTOs analysis of py-2mNO2 under different conformations (red and grey isosurfaces correspond to hole and electron distribution, respectively).#

如图4所示,低温77 K光谱与自旋-轨道耦合(SOC)理论计算阐明了该系统实现高效近红外发光的本质原因。计算结果表明,电荷转移构象(D-140)的自旋-轨道耦合常数(0.59 cm⁻¹)显著高于局域激发构象(0.11 cm⁻¹),极大地促进了单重态到三重态的高效系间篡越(ISC)过程。同时,py-2mNO2在激发态呈现出极为平缓的势能面,使分子能够自然采取更加平面的几何结构。在该平面构象下,分子内存在显著的吸引相互作用,有效抑制了高频分子振动与转动,从而将非辐射衰减速率大幅降低至3.78 s⁻¹(明显低于对位异构体py-2pNO2的5.87 s⁻¹)。这种电荷转移促进系间篡越与平面构象抑制无辐射衰减的协同作用,最终实现了高效率的近红外超长磷光。

Fig.4 (a) Delay spectra of py-2mNO2 in CYH and THF at 77 K (delay 8 ms, _λ_ex = 365 nm). (b) Calculated energy level of excited-state and spin-orbit coupling (SOC) matrix elements (ξ) of target compounds based on different conformation structure (the initial conformation corresponds to the potential energy minimum point under gas-phase optimization). (c) Potential energy surface scans of py-2mNO2 in S0, S1, and T1 as a function of _θ_1 variation from minimum point to 165° (_θ_2 = 140°, step: 5°). (d) Interaction region indicator (IRI) analysis of py-2mNO2 under different conformation. (e) Schematic diagram of the photophysical process for visible-light-excited NIR-UOP in the py-2mNO2.#

如图5所示,基于上述优异性能,团队将py-2mNO2与PMMA按照1:100的质量比进行基质隔离组装,成功制备出平均水力学粒径为153 nm的均一球形纳米颗粒。细胞毒性实验表明,在高达100 μM的浓度下,4T1细胞存活率依然保持在90%以上,展现出良好的生物相容性。在细胞发光成像中,由于三线态激子易被氧气猝灭,纳米探针在1%的低氧环境下表现出显著增强的磷光信号,具有优异的缺氧响应特性。组织穿透模拟实验表明,即使在覆盖2 mm厚牛肉块的情况下,纳米探针在普通手机手电筒照射后仍能产生清晰的近红外余辉信号。在活体小鼠肿瘤成像实验中,经过局部注射纳米探针后,在撤去365 nm紫外灯和手机手电筒照射10秒后,肿瘤部位均能捕获到极高对比度的磷光信号,其信号与背景比(SBR)分别高达39.47和14.55,显著优于以往报道的短波长发光探针(如C2D探针SBR为14.46),彻底清除了活体组织的背景自发荧光。

Fig.5 (a) Emission spectra in THF/water mixtures with varying water fractions (_λ_ex = 330 nm). (b) Preparation process of matrix-isolated nanoparticles. (c) The hydrodynamic size and SEM of py-2mNO2 nanoparticles in water. (d) Cell viabilities of 4T1 cells after incubation with nanoparticles in different concentrations for 24 h. (e) Confocal microscopy images of 4T1 cells with different oxygen concentrations incubated with py-2mNO2 nanoparticles (10 µM). Cells were imaged in the red channel for py-2mNO2 nanoparticles (_λ_ex = 405 nm, _λ_em = 600–800 nm). (f) UOP images of py-2mNO2 nanoparticles (1 mg/mL, 8.13 × 1010 particles/mL) with and without beef tissue under different excitation wavelength. (g) In vivo UOP imaging followed by intratumorally injections of py-2mNO2 nanoparticles with PMMA (1 mg/mL, 8.13 × 1010 particles/mL, 30 µL) under different excitation source. The UOP images were captured 10 s after the removal of the light source. The model of the smartphone used as the flashlight is HUAWEI P50 Pro. (h) SBR in live mice for UOP from py-2mNO2 and C2D [7] in previous work. Error bars represent standard deviation of three separated measurements, n = 3.#

总结及展望#

本研究创新性地利用激发态构象动态学策略,成功解决了有机近红外超长磷光材料中长波长激活与高跃迁效率难以兼得的经典难题。通过精确调控取代基位置与分子激发态势能面,研究团队不仅赋予了分子可见光响应与高效系间篡越能力,还借助平面构象下的分子内吸引作用大幅抑制了非辐射衰减。此外,提出的基质隔离纳米组装技术有效克服了大共轭平面分子的聚集猝灭现象,为将有机磷光材料转化为水相可用的生物探针提供了通用方案。该研究不仅深化了对有机电荷转移与构象动态发光机制的理解,更为未来开发深层组织诊断、微环境响应成像以及诊疗一体化纳米药物奠定了坚实的理论与技术基础。

【Angew.Chem.】大连理工彭孝军院士等|450 nm可见光激活、700 nm近红外发射与268 ms寿命:激发态构象动态学赋能高对比度活体肿瘤成像
https://fuwari.vercel.app/posts/wiley/angewandte/wiley-angewandte-00000252/
作者
Fluolab
发布于
2026-07-30
许可协议
CC BY-NC-SA 4.0