Angew. Chem. Int. Ed. 近红外二区荧光染料分子设计促进生物医学检测

发布时间:2021-01-05阅读次数:455

小分子荧光染料是荧光成像与传感技术在生物医学研究中得以发挥重要作用的有力工具。相比于传统技术采用的短波段(400~900 nm)荧光,近红外二区(NIR-II1000~1700 nm)荧光可显著降低生物组织的散射以及自发荧光干扰,因而极大地提高了成像分辨率和成像深度。截至现在,用于近红外二区荧光生物成像的材料主要有单壁碳纳米管、量子点、稀土纳米颗粒以及有机小分子染料和聚合物等,在这些NIR-II生物成像材料中,有机小分子在可修饰性、潜在的临床转化等方面具有独特的优势。因此,如何获取高性能的近红外二区荧光染料成为该领域研究的当务之急。

近期,复旦大学药学院雷祖海青年研究员与化学系张凡教授合作在Wiley旗下期刊Angewandte Chemie International Edition上发表了题为“Molecular Engineering of NIRII Fluorophores for Improved Biomedical Detection”的综述文章(https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202007040)。这篇综述重点介绍了NIR-II荧光染料的设计策略,NIR-II荧光染料在生物医学成像方面的应用以及NIR-II荧光探针的设计思路。



首先,作者讨论了高性能NIR-II荧光染料需要考虑的三个参数:波长、亮度以及稳定性。在这三个参数的指导下,作者详细探讨了如何实现染料波长的红移,包括延长共轭链、修饰推拉电子体系、杂原子替换以及形成J-聚集体等方式;接着讨论了提高亮度的策略,包括空引入空间位阻、与蛋白形成复合物、修饰推拉电子体系以及AIE等;最后探讨了如何提高染料稳定性的策略,包括引入空间位阻、刚性化染料分子结构等,每种策略都有相应的例证。此外,作者总结了一个最大吸收波长与亮度的关系图,此图清晰的展示了目前绝大部分用于NIR-II区生物成像的小分子染料相关参数,具有很好的参考价值。

  

讨论染料分子设计策略后,作者进一步介绍了相关NIR-II染料的成像应用,包括动态成像、多重检测、荧光引导手术等。接着进一步介绍了NIR-II荧光探针的设计策略,包括Off-On型荧光探针和比率型荧光探针,其荧光调控机制包括推拉电子体系修饰、聚集与解聚集、共价组装、共轭体系干扰、ICT、能量转移以及有机无机杂化等方式,每种策略都有相应的例证。

最后,作者讨论了NIR-II小分子荧光染料设计面临的问题以及可能的解决办法,并进一步展望了NIR-II区化学发光、生物发光等低背景荧光成像方式在生物医学研究中的应用潜力。