光致發(fā)光（Pl）是基本的光物理過程，分子在被激發(fā)到更高的電子狀態(tài)時吸收光子，然后在衰減到更低的狀態(tài)時發(fā)射光子。由于量子產(chǎn)率高、易加工性和顯著的光穩(wěn)定性，有機(jī)熒光材料已在各個領(lǐng)域得到應(yīng)用。有機(jī)熒光材料的亮度決定了它們在熒光顯示和檢測中的分辨率和靈敏度。但是，目前仍然沒有有效提高亮度的策略。傳統(tǒng)的平面π共軛分子具有出色的光物理性質(zhì)，但由于π-π相互作用而產(chǎn)生ACQ現(xiàn)象。相反，扭曲的分子總體上顯示出高的光致發(fā)光量子產(chǎn)率（φPL），而這是以共軛的破裂為代價而產(chǎn)生吸收。因此，將強(qiáng)吸收性和高固態(tài)φPL整合到一個分子中具有挑戰(zhàn)性。基于以上問題，來自浙江大學(xué)的錢駿教授和香港科技大學(xué)的唐本忠院士合作，提出了一種分子設(shè)計策略：通過將平面結(jié)構(gòu)結(jié)合到扭曲的骨架中來提高亮度。具有扭曲小分子的較大的π共軛二噻吩并噻吩單元TT3-oCB在NIR-IIb顯示極高的亮度。對于表觀寬度僅為0.04 mm的股血管，使用TT3-oCB納米粒子可實現(xiàn)改善的NIR-II b圖像分辨率。通過頭骨的顯微NIR-IIb成像，腦血管的高倍鏡給出了約3.3μm的表觀寬度。此外，可以非常清晰地識別出位于膀胱等深處的內(nèi)部器官。相關(guān)成果以“Incorporation of Planar Blocks into Twisted Skeletons: BoostingBrightness of Fluorophores for Bioimaging beyond 1500 Nanometer”為題發(fā)表在《ACS Nano》上。
1. 分子的設(shè)計和合成
研究者提出了一種提高亮度的分子設(shè)計策略：將平面部分結(jié)合到扭曲的框架中。如圖1所示，該方法包括兩個部分：一.從AIE繼承來的扭曲體系結(jié)構(gòu)，可確保總體上具有較高的φPL；二.增強(qiáng)的π共軛平面單元可以增強(qiáng)吸收能力。另一方面，因為其自發(fā)熒光極弱，光散射低，NIR-II b窗口中的熒光特別適合于哺乳動物的深部組織成像，但是該區(qū)域缺少明亮的圖像。因此，研究者利用當(dāng)前的分子設(shè)計策略來應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。以先前報道的AIE gens TT1-oCB為例，其具有高NIR-IIb ΦPL和NIR-IIb尾發(fā)射。通過引入較大的π共軛平面單元，所得的帶有更大π共軛平面的TT3-oCB在NIR-IIb區(qū)域顯示出了超凡的亮度，為體內(nèi)全身血管、股血管、腦血管和內(nèi)部器官生物成像提供了強(qiáng)大的平臺。
2. 光物理性質(zhì)
接著，研究者對其光物理性質(zhì)進(jìn)行了研究。為了更好地計算聚集物中分子的吸收值ε，通過將分子的THF溶液溶解在水中來制備樣品。TT1-oCB、TT2-oCB和TT3-oCB在聚集體中793nm處ε逐漸增加（圖2e），TT3-oCB的這種強(qiáng)吸收被認(rèn)為可以穿透更深的組織，并減少對組織的光損傷。另一方面，Pl光譜表明TT3-oCB（1060nm）的發(fā)射波長比TT1-oCB（1026 nm）和TT2-oCB（1041 nm）長，可用作深組織生物成像的NIR-II發(fā)射體（圖2f）。為了進(jìn)一步研究分子的熒光特性，如圖3g，h所示，當(dāng)fw≤30％時，TT3-oCB的發(fā)射強(qiáng)度由于轉(zhuǎn)變?yōu)門ICT狀態(tài)而逐漸下降，其非輻射衰減易于使發(fā)射猝滅。當(dāng)將fw從30％增加至90％時，由于納米聚集體形成和抑制TICT狀態(tài)的進(jìn)入而限制了AIE gens的分子內(nèi)運(yùn)動，因此PL強(qiáng)度顯著提高。總體而言，具有平面DTT共軛結(jié)構(gòu)的TT3-oCB不僅顯示出高吸收率，而且還具有出色的AIE性能。圖2 分子的光物理性質(zhì)。（a）在THF中的摩爾消光系數(shù)。（b-d）溶液（THF）和NPs（水）中的吸收峰變化。（e）總的消光系數(shù)（fw＝90體積％）。（f）總體的PL光譜（fw＝90體積％）。（g）TT3-oCB的PL強(qiáng)度隨fw的變化。（h）TT3-oCB的AIE曲線。
3. 細(xì)胞成像
圖3（a）NIR-IIb NP制劑的示意圖。（b）NP的光穩(wěn)定性。（c）NP的PL光譜。插圖：放大發(fā)射光譜（1500-1550 nm）。（d）不同濃度的NPs（1500-1550 nm）的積分熒光光譜之間的關(guān)系。（e）比較NP的NIR-IIb信號（0.2 mg / mL，793 nm激發(fā)，1500 nm LP，17 mW / cm2，100 ms）。 插圖：NIR-IIb熒光圖像
為了進(jìn)一步評估熒光特性，研究者使用FDA批準(zhǔn)的表面活性劑Pluronic F127將AIE分子封裝到納米粒子（NPs）中（圖4a）。NP對光漂白的穩(wěn)定性對于防止出現(xiàn)誤導(dǎo)性信號至關(guān)重要，這在生物成像領(lǐng)域非常重要。如圖3b所示，激光照射后Pl強(qiáng)度幾乎沒有變化，該結(jié)果表明AIE NP具有優(yōu)異的光穩(wěn)定性。對于NP處顯示發(fā)射峰（圖3 c），觀察到發(fā)射尾巴延伸到1550 nm（圖3c的插圖），表明在NIR-IIb成像中有潛在的應(yīng)用。接下來，對三個NP進(jìn)行了體外成像（圖3e），在相同的質(zhì)量濃度下，盡管染料分子的數(shù)量相應(yīng)減少，NPs的亮度卻隨著分子平面化的增加而增加。由于NIR-IIb區(qū)的ΦPL相似，則793nm處入射激光的吸收率決定了樣品的亮度，證明了本分子設(shè)計策略的可行性。所有這些結(jié)果表明，具有增強(qiáng)亮度的TT3-oCB NP適用于NIR-IIb成像。并且隨著溶液濃度的增加，可以在NIR-IIb窗口中保持毛細(xì)管的鋒利邊緣。
4. 體內(nèi)成像
圖4 A.使用TT3-oCB NP（200μL，0.8 mg/mL）處理的具有不同LP濾器的活體小鼠的全身血管NIR-II熒光成像。B.用TT3-oCB NPs處理的具有不同LP濾器的活小鼠股骨血管的NIR-II熒光成像。
最后，研究人員用TT3-oCB NP對全身血管、股血管、腦血管、膀胱成像。對于全身血管成像，1500 nm LP（long-pass）和1200 nm LP成像的同一血管的表觀寬度為分別為0.49和0.83 mm（圖4A），而高通擬合的輪廓很難通過1000 nm LP獲得，這表明NIR-IIb熒光成像可提高空間分辨率。與此同時，為了證明TT3-oCB NP對拓?fù)溲艿某上褓|(zhì)量，對小鼠后肢進(jìn)行了NIR-II b成像。與常規(guī)NIR-II區(qū)域相比，NIR-IIb成像（1500 nm LP）顯示更高的清晰度。并且，主血管的表觀寬度隨LP的波長而減小，分別對900、1200和1500 nm LP產(chǎn)生0.4、0.33和0.26 mm的光，這表明NIR-IIb成像提供了最高的分辨率（圖4B），甚至可以區(qū)分隱藏在主要血管附近的微小血管。此外，TT3-oCB NP可以對腦血管和膀胱進(jìn)行深度和高分辨率的成像（圖5A，B）。這些結(jié)果表明由于NIR-IIb區(qū)域中TT3-oCB NP的亮度很高，再加上深層的穿透力和高分辨率，它不僅為檢測與膀胱相關(guān)的疾病，而且為監(jiān)測其他重要的內(nèi)部器官提供了可靠的平臺。圖5 A.通過完整的顱骨對活體小鼠腦血管進(jìn)行NIR-IIb成像。B.在經(jīng)TT3-oCB NP處理的不同LP濾器下活小鼠的NIR-II膀胱成像。
結(jié)論
總而言之，研究人員提出了一種通過將適當(dāng)?shù)钠矫姒泄曹椙抖螕饺肱で腁IE gen中來提高NP亮度的分子設(shè)計原理，AIE功能可確保NP的ΦPL高。其中，TT3-oCB NPs由于具有最佳的吸收率和ΦPL，在NIR-IIb區(qū)域中顯示出極好的亮度。使用TT3-oCB NP進(jìn)行NIR-IIb成像可對全身血管、股血、，腦血管和內(nèi)部器官進(jìn)行成像，并提高清晰度。這項研究證明了開發(fā)高亮度熒光團(tuán)的分子設(shè)計策略的成功。https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.0c07527
