碳-罗丹明及羰基-罗丹明近红外荧光染料的构建及其生物应用研究

Fluorescent dyes that have excitation and emission wavelengths in the near-infrared region (NIR) (650−900 nm) are highly attractive for biology-related imaging techniques due to the minimum photodamage to biological samples, improved tissue penetration depth, and reduced interference from the background autofluorescence of biomolecules. However, most of the commercially available NIR dyes shows the disadvantages of low fluorescence quantum, poor potostability and low emission wavelength (﹤800nm). Aimed at constructing novel NIR Fluorescent dyes with excellent photophysical properties and good biocompatibility, scientific research were started focusing on Carbonyl-Rhodamine and Carbonyl-Rhodamine dyes. The innovation of the article mainly presents in the following three aspects: (1) A new method was explored to improve the traditional synthesis routes of C-Rhodamine dyes and novel C-Rhodamine fluorescent dyes were synthesized and used to design fluorescent probes. (2) NIR dyes of Carbonyl-Rhodamine with absorbance and fluorescence wavelength over 800nm were developed deriving from C-Rhodamine dyes. (3) Based on the study of Carbonyl-Rhodamine dyes, platform of near-infrared fluorescent dyes with ratiometric character was developed and used to design fluorescent probes.

由于近红外光高的肌肉穿透性和低的光毒性以及近红外区域低的生物分子自荧光背景，近红外荧光染料是目前生物荧光传感领域首选的荧光染料。然而，大部分商业化近红外荧光染料的荧光量子收率较低、光稳定性较差，且发射波长一般低于800nm，在实际应用中仍然存在敏感性低、容易光漂白、光穿透能力弱的限制。本项目拟开发系列光物理性质优良的“碳-罗丹明”和“羰基-罗丹明”近红外荧光染料，并以该染料为基础进一步开发系列近红外荧光探针，促进该染料在生物影像领域的应用。创新点主要体现在三方面：（1）简化了“碳-罗丹明”近红外染料的合成方法，设计了新的“碳-罗丹明”染料体系和探针体系；（2）创新性的提出激发和发射波长大于800nm 的“羰基-罗丹明”近红外染料体系，并初步得到光谱研究证实；（3）构建了螺环调控的“羰基-罗丹明”比率型荧光染料平台，为相关荧光探针的设计奠定了基础。

近红外荧光染料的激发与发射波长位于近红外区（650-900 nm），具有强的组织穿透性、低的生物组织损伤性以及能避免生物自荧光干扰，极大地提高荧光成像的准确度与灵敏度，因此在生物成像领域体现出独特的优势。然而，大部分商业化近红外荧光染料的荧光量子收率较低、光稳定性较差，且发射波长一般低于800nm，在实际应用中仍然存在敏感性低、容易光漂白、光穿透能力弱的限制。本项目以构建具有高荧光量子效率、大的摩尔消光系数、高稳定性以及具有近红外荧光的新型有机荧光染料为目标，并针对生物活性硫、活性氧及活性氮物质，开发生物兼容的高选择性有机荧光探针，在生物系统实现该系列物质的荧光传感和成像，为其生理病理功能的研究提供影像工具。项目取得的研究结果包括：（1）以蒽酮为原料，开发出一种新的制备“碳-罗丹明”染料的方法，合成了系列性能优良的“碳-罗丹明”荧光染料，丰富了近红外荧光染料家族。（2）基于取代基的吸电子诱导效应，提出了抑制荧光染料发生扭曲态电荷转移的新策略，这一策略可以将罗丹明类荧光染料的量子效率提高3倍以上，并对其他荧光染料具有普遍适用性，为高性能荧光探针的开发提供了优良的染料平台。（3）通过单原子改性，设计合成了具有超过800纳米发射波长的“羰基-罗丹明“染料，近红外二区荧光成像证实了其在生物活体影像中的巨大潜力。（4）利用不同的荧光调控机制、开发了针对次氯酸、过氧化氢、单线态氧、过氧亚硝酰、谷胱甘肽的高选择性荧光探针，为相关生理病理过程研究提供了可视化的研究工具。