空间电荷转移效应的红光复合物的开发及其双光子和荧光寿命成像的应用

Recently, fluorescence bio-imaging has attracted considerable attention both in biological and medical areas for its huge advantages in diseases diagnosis and life process revealing. Traditional fluorescence imaging agents are mostly compounds obtained by organic synthesis, which emit red or near-infrared light. However, they generally show great difficulty in synthesis, possess high cost and only exhibit single function. This project will focus on the development of red-emissive through-space charge transfer complexes mainly by physical method via mixing simple aggregation-induced emission acceptors with commercial donors. The photo-physical property will be studied based on the tested spectra of prepared complex powders and films. The emission mechanism will be revealed in combination of co-crystal structure and theoretical calculation. Also, the water-soluble nanoparticles encapsulating complex will be fabricated and their features like two-photon absorption cross section and fluorescence lifetime will be studied by spectra test. Based on these features, the two-photon and fluorescence lifetime imaging applications will be further investigated in cells and animals. This project will provide a relatively new and simple method for preparing multi-functional fluorescent imaging agents, thus promoting the development of bio-imaging area.

由于在重大疾病诊断以及生命过程揭示等方面的显著优势，荧光生物成像已成为近年来生物和医学领域研究的焦点。传统的荧光影像试剂多数是基于全有机合成制备的红光或近红外发射的化合物，它们往往制备繁琐、生产成本高且功能单一。本项目拟倾向以物理法将结构简单的聚集诱导发光电子受体分子与商业化的电子给体分子通过共混制备红光发射的空间电荷转移复合物。通过制备复合物粉末和薄膜结合光谱测试研究其光物理行为；通过解析共晶结构结合理论计算揭示其光物理机制；通过制备水溶性复合物纳米粒子结合光谱测试重点考察其双光子吸收截面和荧光寿命等特性，并根据这些特性深入探索其在细胞和活体中双光子及荧光寿命成像的应用。本项目的执行将提供一种较为新颖和简便的制备多功能荧光成像试剂的方法，从而促进生物成像领域的发展。

生物成像由于灵敏度高和空间分辨率好等优点在生物和医学领域极具应用优势。目前，对于生物成像探针的设计任面临两个问题：（1）如何开发一种便捷的探针设计方式，以降低成本，促进应用；（2）如何设计红移探针的吸收波长，以近红外光激发来提高成像深度。与此同时，吡嗪类聚集诱导发光（AIE）分子是近年来新兴的AIE体系，具有设计合成简单、稳定性好、电子性质可调节、激发态松弛模式可调节、几何对称性可调节和富含氮功能位点等优点，因此非常适合用于设计不同的功能材料。. 本项目针对于生物成像领域所需要解决的问题，基于我们对于吡嗪类AIE化合物的研究基础，开展的工作如下：（1）将吡嗪类AIE电子受体分子（四苯基四氮蒽）和苯胺类电子给体分子复合制备了具有空间电荷转移效应的深红光发射薄膜。此外，受体分子较好的电子极化性质使复合物薄膜具有显著的双光子激发性质。进而，通过薄膜水化法将复合物制备了具有深红光发射、双光子吸收截面大、光、储存、酸碱稳定性好和生物相容性优越的纳米荧光探针，用于对于小鼠脑血管的深度、高分辨率和高信噪比的荧光成像。该工作不仅开辟了一种便捷的荧光探针设计方式，而且拓展了空间电荷转移复合物在生物成像领域的应用。（2）基于吡嗪类AIE电子受体单元（二腈基二苯基四氮萘）和苯胺类电子给体单元，利用二者之前的强分子内电荷转移效应，设计了具有强近红外吸收的染料分子。该类分子在激发态发生了基于C-N键的剧烈伸缩振动，可更为有效将分子的激发态以热运动的方式来耗散。此外，基于该类分子制备的纳米探针具有高的光热转化效率和极佳的生物相容性，可用于对于活鼠肿瘤高对比度的光声成像。因此，该工作基于强的分子内电荷转移效应设计近红外吸收分子，并提供了一种新的光热转化方式，用于设计生物材料。