近紅外染料是一類在近紅外光譜范圍內具有吸收和發射光子性能的化合物，在醫學診斷、生物成像、材料科學和工業領域都具有廣泛的應用潛力。近紅外吸收染料可以用于對各類皮膚病、腫瘤等疾病進行光動力或光熱治療，也可用作疾病診斷的光聲造影劑；近紅外發射染料可以用于手術導航的熒光造影劑，對組織結構或者疾病病灶的邊緣進行顯像，輔助外科醫生進行手術切除。近年來，波長在700到1700納米范圍內的光子被發現具有更優異的生物組織穿透性能，因而生物醫學領域對于吸收和發射在這一波段內的近紅外染料的需求正在不斷增加。
目前，領域中的近紅外染料主要是圍繞著傳統的花菁、氟硼吡咯、方酸菁、卟啉、酞菁、香豆素和羅丹明等母體進行開發。為了將母體的波長延長至近紅外區域，現行的普遍策略需要通過拓展共軛、融合雜原子等手段將分子結構做大，這會導致染料水溶性、生物相容性以及光穩定性的下降，同時更大更復雜的結構也會令合成變得困難，難以滿足大規模制備的需求。
因此，有必要尋找新型近紅外染料母體，并探索合適的合成方法，開發溶解性和光穩定性好、分子結構小巧、同時吸收發射波長還長的近紅外染料，這將有助于推動近紅外光子技術在醫學、生物科學和其他領域的應用，為診斷和治療等領域提供新的解決方案。
為解決上述問題，研究團隊探索了一種原子節約型的波長拓展策略，通過在推-拉電子結構中插入一個4π電子的五元環，獲得了一系列分子量在299-504 Da，光譜范圍覆蓋700-1600 nm的氨基芴（AF）染料，其具有超過大多數常規染料的波長-分子量比（λabs/Mw）。AF骨架具有基態反芳香性和激發態芳香性，與傳統染料具有[4n+2]π電子休克爾芳香性相反。這一特性導致了固有的窄HOMO-LUMO間隙。此外，研究發現，引入反芳香性結構增加了電子躍遷時的振動耦合，從而導致超快的激發態衰減和超高的光穩定性。
圖1. (a,b) AF1-AF14的兩步合成路線和對應的取代基結構以及吸收峰波長；
(c,d) 幾種代表性的AF染料的吸收和發射光譜；
(e,f) AF染料的吸收峰波長(e)和峰肩比(f)與計算的取代胺基的垂直電離能之間的線性關系。
隨后，研究團隊利用AF染料的小巧結構，通過簡單的修飾策略——引入一個羧基，在分子量小幅增加44 Da的情況下，油水分配系數（cLogD）大幅下降，從而獲得了較好的水溶性，并減少了生物體內的非特異性相互作用。而傳統策略則通常需要大分子修飾或膠束包裹來獲得更好的水溶性。體內熒光成像結果顯示分子結構和分子量變化對染料藥代動力學的重要影響。研究團隊還利用這一藥代動力學差異，演示了AF染料用于活體內多通道熒光成像的應用潛力。
圖2. (a) 幾種AF染料衍生物的化學結構；
(b) AF染料和衍生物的活體NIR-II熒光成像情況；
(c-e) 染料在各時間點在肝臟和腎臟中的定量熒光信號分布情況；
(f,g) 染料的單側腎臟缺血再灌注過程示意圖和活體內NIR-II成像情況；
(h) 圖g中兩側腎臟熒光強度比值隨時間的變化過程；
(i) 活體NIR-II多光譜熒光成像工作流程示意圖。
進一步地，研究團隊利用小鼠腎損傷模型研究了染料在臨床前診斷中的潛在應用價值。結果表明，經過羧基修飾的小分子水溶性結構AF3-COOH能夠在10分鐘內檢出腎臟損傷，相比大分子對照結構快6倍，這一結果證明了AF染料在臨床診斷中的巨大價值，具有將診斷時間提前和提高生物相容性的潛力。
研究團隊表示，AF染料具有良好的細胞滲透性，易于功能化獲得藥代動力學可調性，刺激響應特性，使其成為生物成像和傳感的優良工具。這一研究促進了反芳香性染料的生物應用，并強調了反芳香性作為一種有效的設計規則，可以克服傳統芳香性體系的局限性。
參考文獻：
Kui Yan, Zhubin Hu, Peng Yu, Zuyang He, Ying Chen, Jiajian Chen, Haitao Sun*, Shangfeng Wang*, and Fan Zhang*. Ultra-photostable small-molecule dyes facilitate near-infrared biophotonics. Nat Commun.,2024, 15, 2593.
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