本文要點(diǎn)：3,6-二甲基氨基芴酮通過(guò)特定取代基修飾，實(shí)現(xiàn)吸收峰紅移至1012 nm，同時(shí)發(fā)射超過(guò)1300 nm的短波紅外光。時(shí)間依賴密度泛函理論（TD-DFT）計(jì)算表明，取代基的軌道特性有效縮小了HOMO-LUMO能隙，從而增強(qiáng)長(zhǎng)波長(zhǎng)發(fā)射的性能。結(jié)合InGaAs短波紅外相機(jī)與多波長(zhǎng)長(zhǎng)通濾光片的成像實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該材料在1300 nm以上波段的探測(cè)能力。

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為構(gòu)建新型短波紅外發(fā)射核心，研究者通過(guò)在3,6-二甲基氨基芴酮的C9位調(diào)控電子特性以改變光學(xué)性質(zhì)。本文報(bào)道了一種分子量為381 Da的小分子染料，其最大吸收和發(fā)射峰分別位于1012 nm和1100 nm。利用短波紅外InGaAs相機(jī)成像系統(tǒng)和長(zhǎng)通濾光片，檢測(cè)到1300 nm和1400 nm以上的熒光，證實(shí)擴(kuò)展π共軛的優(yōu)化設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)發(fā)射紅移。

方案1. 由3,6-二甲氨基芴酮（5）合成的SWIR染料

為篩選影響光學(xué)性質(zhì)的取代基，研究者采用模塊化策略在核心結(jié)構(gòu)3,6-二甲基氨基芴酮（5，方案1）的C9位進(jìn)行后期修飾。除參照物鄰甲苯基（6）外，還選用了富電子的對(duì)甲氧基苯基（7）、含炔烴的擴(kuò)展共軛版本（9）、可形成內(nèi)酯的鄰羧酸苯基（8）以及缺電子的3,5-雙（三氟甲基）苯基。所有化合物均通過(guò)一維、二維核磁共振及質(zhì)譜確證結(jié)構(gòu)。

圖1. 1–3在DMSO中的吸收光譜（a）； 933～1463 nm的發(fā)射光譜（b）

表1. 實(shí)驗(yàn)測(cè)量的光學(xué)特性

FluRdn系列染料1-3及10在短波紅外區(qū)展現(xiàn)出吸收與發(fā)射特性，最大吸收峰與發(fā)射峰分別超過(guò)940 nm和1000 nm（圖1及表1）。其吸收峰較寬且摩爾消光系數(shù)（ε）較低，范圍從3號(hào)染料的4710 M?1 cm?1至2號(hào)染料的12820 M?1 cm?1。當(dāng)C9位引入供電子基團(tuán)對(duì)甲氧基苯基（2號(hào)染料）時(shí)，其吸收與發(fā)射強(qiáng)度較1號(hào)略有提升，但最大波長(zhǎng)發(fā)生藍(lán)移。若在對(duì)甲氧基苯基與芴核間插入炔基（3號(hào)染料），雖誘導(dǎo)76 nm紅移，但吸收與發(fā)射強(qiáng)度較2號(hào)顯著降低。采用IR-1060（?fl=0.32%）和IR-26（?fl=0.048%）作為參比，通過(guò)相對(duì)法測(cè)得FluRdn 1b與10在DMSO中的熒光量子產(chǎn)率分別為0.005%和0.004%。盡管量子產(chǎn)率較低，其性能仍與典型NIR-II有機(jī)染料（?fl=0.001-1%）相當(dāng)。對(duì)比研究顯示，目前廣泛應(yīng)用的供體-受體-供體（D-A-D）型短波紅外染料（如苯并雙噻二唑核心的CH1055）在PBS中吸收/發(fā)射波長(zhǎng)為750 nm/1055 nm，量子產(chǎn)率?fl為0.098%，表明FluRdn系列可作為D-A-D染料的替代方案用于短波紅外成像研究。相較于具有超高吸收截面和高亮度的聚甲炔染料，F(xiàn)luRdn染料分子量更小，未來(lái)或可基于此類羅丹明骨架開(kāi)發(fā)新型細(xì)胞穿透型短波紅外探針。

圖2. 使用四個(gè)LP濾光片對(duì)三種染料的SWIR熒光信號(hào)進(jìn)行定量

為評(píng)估FluRdn核心的成像性能，研究者使用980 nm激光（含808 nm激光）作為激發(fā)光源，利用InGaAs相機(jī)，通過(guò)1050至1500 nm長(zhǎng)通（LP）濾光片篩選特定波長(zhǎng)熒光，收集至1700 nm的發(fā)射光子。使用1050 nm LP濾光片（收集1050-1700 nm發(fā)射光子）時(shí)，染料1和2的信背比（SBR）均>16。染料1的SBR略高，而染料2可能因其在980 nm處吸收系數(shù)（ε）較低導(dǎo)致發(fā)射光子減少，致使SBR稍低。值得注意的是，盡管染料3吸收與發(fā)射較弱，其SBR仍表現(xiàn)良好。之后，研究者在980 nm激光激發(fā)下，采用1200、1300及1400 nm LP濾光片對(duì)溶液進(jìn)行成像（圖2）。切換至更長(zhǎng)波長(zhǎng)的濾光片顯著提升了成像性能。盡管收集到的光子總數(shù)（信號(hào)密度）隨濾光片截止波長(zhǎng)增加而減少，但1200 nm LP濾光片的SBR略有上升，而1300 nm和1400 nm LP濾光片的SBR則有所下降。為捕獲>1400 nm的發(fā)射，需將曝光時(shí)間調(diào)整至2秒。這些結(jié)果表明FluRdn核心在>1300 nm成像檢測(cè)中具有重要應(yīng)用價(jià)值。

圖3. 分析C-9取代基對(duì)三種熒光染料（1–3）和羅丹明（Rdn）的HOMO/LUMO能級(jí)的影響

為了解釋觀測(cè)到的光學(xué)數(shù)據(jù)與取代基的電子性質(zhì)之間的關(guān)系，研究者進(jìn)行了時(shí)間依賴的密度泛函理論（TD-DFT）計(jì)算。使用Gaussian 16軟件進(jìn)行幾何優(yōu)化和TD-DFT計(jì)算。與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，計(jì)算得出的λmax（1：745 nm，2：731 nm，3：793 nm）在兩種溶劑中均低估了達(dá)200 nm，包括Rdn染料（計(jì)算λmax：467 nm）。TD-DFT預(yù)測(cè)的振子強(qiáng)度和SWIR區(qū)域的摩爾吸收與所有FluRdn染料相似。然而，C9取代基對(duì)軌道能級(jí)的影響十分明顯（見(jiàn)圖3）。

在1-3的幾何結(jié)構(gòu)中，最高占據(jù)分子軌道（HOMO）主要位于芴酮核心上。觀測(cè)到的HOMO能級(jí)差異可忽略（ΔEHOMO ≤ ±0.01 eV），證實(shí)了這一結(jié)論。在最低未占據(jù)分子軌道（LUMO）中，1和2主要位于芴酮上，但3并非如此。在3中，乙炔基軌道對(duì)LUMO有貢獻(xiàn)（而非取代基對(duì)位甲氧基苯基效應(yīng)），表明C9共軛影響了觀測(cè)到的光學(xué)性質(zhì)。3中乙炔基對(duì)能級(jí)的影響也可從能隙縮小（Egap = 4.9 vs. 5.15 eV for 2）定性看出，這導(dǎo)致了78 nm的紅移。這證實(shí)了C9取代基可用于進(jìn)一步微調(diào)光學(xué)性質(zhì)。而Rdn中，HOMO和LUMO均定位于黃酮核心，與之形成對(duì)比。

總之，本研究展示了對(duì)FluRdn光學(xué)特性的微調(diào)、其在短波紅外（SWIR）成像應(yīng)用中的潛力，以及使用時(shí)間依賴的密度泛函理論（TD-DFT）計(jì)算來(lái)探索這些特性上的電子效應(yīng)。本研究強(qiáng)調(diào)了在C9位替換可共軛基團(tuán)以實(shí)現(xiàn)紅移發(fā)射的潛力。隨著SWIR成像在血管、淋巴管、血管造影和腫瘤切除術(shù)的實(shí)時(shí)可視化中變得越來(lái)越重要，當(dāng)前探針的局限性凸顯了對(duì)具有更少非特異性結(jié)合、高效外血管化和快速清除的新SWIR劑的需求。這里介紹的FluRdn核心因其較小的尺寸和親水性，顯示出巨大的應(yīng)用前景，非常適合進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。此外，在周圍位置引入其他取代基、融合富含電子的胺供體、將若氟啶嵌入FluRdn核心中，創(chuàng)造了有趣的骨架結(jié)構(gòu)，同樣可以利用本文討論的方法來(lái)微調(diào)其光學(xué)特性，相關(guān)工作目前正在進(jìn)行中。

 

參考文獻(xiàn)

PIeczykolan M, Dancer P A, Klein T W, et al. Small organic fluorophores with SWIR emission detectable beyond 1300 nm[J]. Chemical Communications, 2025, 61(25): 4820-4823.

 

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