面向生物成像应用的近红外二区荧光染料分子的理性设计

Compared with the traditional visible or the first near-infrared window (NIR-I, 750-1000 nm), imaging with fluorescence in the second NIR window (NIR-II, 1000-1700 nm) can provide better spatial resolution/contrast and deeper penetration. The lack of fluorophores with high brightness and biocompatibility is a major bottleneck for the utilization of bioimaging in NIR-II window. In this proposal, we will design and synthesize a series of donor-acceptor based molecules with varied building blocks to develop high performance NIR-II fluorophores. To improve the fluorescence quantum yield, shielding units and electron donating units are engineered to minimize the intermolecular interactions and solvent molecule interactions. The side chain pattern is tuned to afford good water solubility and biocompatibility. Further, the molecule bandgap is narrowed to develop fluorophores with longer emission, which can enhance the penetration ability. This study will reveal the relationship between molecular structure and fluorescent properties in NIR-II window, which could benefit the rational design of NIR-II fluorophores.

近红外二区（NIR-II，1000nm～1700nm）荧光生物成像技术相比于常用的可见光以及近红外一区（NIR-I, 750-900nm）由于发射波长更长，可显著降低在穿透生物组织时的光散射现象以及自荧光效应的影响，使探测深度更深、空间分辨率更高。该技术发展的一个重要瓶颈是缺少具有高亮度与生物相容性的荧光染料。本项目拟设计合成一系列具有不同结构单元的D-A型分子，发展高性能NIR-II荧光染料分子。通过调节屏蔽单元与电子给体单元降低分子间相互作用以及与溶剂分子作用等提高分子的荧光量子效率。通过侧链样式调控来实现良好的水溶性以及生物相容性。进一步将分子能隙变窄实现更长波长荧光发射增加穿透能力。项目的深入开展可以揭示不同分子结构对NIR-Ⅱ荧光性能影响的规律, 为NIR-Ⅱ荧光染料分子的构筑提供新的设计理念。

相比于可见光（400-700 nm）和近红外一区（NIR-I，700-1000 nm），近红外二区（NIR-II，1000-1700 nm）在荧光生物成像中具有更高信噪比、更深成像深度的优势。发展NIR-II荧光成像技术的关键之一是开发高亮度和生物相容性良好的染料。本项目设计合成了一系列基于S-D-A-D-S（S为屏蔽单元，D为电子给体单元，A电子受体单元）结构的NIR-II荧光分子染料，通过结构单元调控实现了荧光量子效率以及排泄等性能的提高。在芴基为屏蔽单元的水溶性染料中，通过调控给体单元，有效降低自身分子间的相互作用以及与溶剂分子作用，从而有效提高染料的荧光量子效率。此外，通过两亲高分子包裹得到高亮度的染料p-FE。基于双烷氧链取代苯屏蔽单元，通过调控侧链长度和烷氧基链取代位置，实现较好的肾脏代谢性能以及较高的量子产率，并探索了可肾脏代谢NIR-II荧光染料的分子设计策略。进一步通过稠环受体分子的结构进行合理调控，实现了高亮度稠环受体分子型NIR-II染料。通过研究的开展，揭示了NIR-II 荧光分子结构单元对量子效率、肾脏代谢等性质的影响规律，为高性能NIR-II分子染料的发展提供理论设计依据。