内容提要
本研究设计并合成了一种新型的NIR-II有机小分子CTB1125。由于高给体-受体-给体（D-A-D）强度结构促进了高效的分子内电荷转移（ICT）， CTB1125的最大发射波长为1125 nm。此外，支链烷基链被修饰在共轭熔融环主链上，以减少分子间的堆积。CTB1125包被在两亲性共聚物PS2000-PEG2000中形成CTB1125- nps，在水溶液中具有高达4.84%的超高荧光量子产率、优异的光稳定性和高信噪比。由于这些突出的特性，CTB1125-NPs已成功用于少量CTB1125-NPs、低激光功率和短曝光时间的清晰、长时间NIR-II血管成像，并通过荧光成像精确指导小鼠肿瘤的手术切除。
CTB1125的设计、合成与表征
为了获得NIR-II发射探针，我们设计并合成了D-A-D型有机荧光CTB1125，它由环五[2,1-b:3,4-b”]二噻吩（CPDT）、噻吩和苯并[1,2-c:4,5-c”]双（[1,2,5]噻二唑）（BBTD）组成。CPDT作为一类刚性平面类芴噻吩结构，具有共轭大、带隙小、电子密度大的特点。CPDT作为电子给体可以有效地延长分子共轭作用，延长发射波长。然后，噻吩可以作为𝜋-bridge单位转移电子。同时，作为高电子密度的杂环，它还可以作为弱电子给体参与共轭。此外，BBTD具有低能带隙、强电子接受性和良好的电荷转移特性。因此，它被选为强电子接受单元。高给体-受体-给体（D-A-D）强度有助于有效的分子内电荷转移（ICT），降低带隙并实现长波吸收和发射。同时，用更多的支链烷基修饰供体和𝜋bridge基团，使其具有一定的空间位阻，从而避免了严重的荧光猝灭如图所示，通过Stille-Couping反应合成CTB1125。CTB1125的吸收范围在600 ~ 1000 nm之间，峰值约为895 nm。发射光谱范围为900 ~ 1400 nm，在895 nm激光激发下，在己烷中最大发射波长为1125 nm。发射光谱从NIR-I区延伸至NIR-IIa区，实现了NIR-II成像。CTB1125在己烷中也显示出10.2%的高量子产率，这是用ICG （QY: 14%在DMSO中）作为参考荧光团计算得到的。以IR-1061（DCM中QY为1.7%）为参照，QY为8.15%。CTB1125优越的发射波长和超高量子产率在NIR-II成像中具有很好的应用前景。为了研究CTB1125在不同极性下的光学性质，测定了CTB1125在不同溶剂中的吸光度和荧光光谱。在低极性溶剂中溶解时，观察到强吸光度和荧光。相比之下，CTB1125随着溶剂极性的增加呈现出明显的荧光衰减和色移发射。这一现象的主要原因是CTB1125在高极性溶剂中由局部激发态（LE）转变为分子内电荷转移态（TICT）此外，在THF中加入不同体积分数的H2O导致的荧光强度下降也证实了CTB1125的TICT状态主导的行为。
CTB1125-NPs的制备及其光物理性质
在聚苯乙烯疏水相互作用的保护下，CTB1125在水环境中可以保持一定的LE态，减弱TICT效应引起的猝灭。此外，PEG侧链为纳米颗粒提供了良好的水溶性和生物相容性。并对CTB1125-NPs的光物理性质进行了评价。CTB1125- nps的光谱与CTB1125相似，吸光度为600 ~ 1000 nm，发射光谱为900 ~ 1400 nm。平均水合物直径表征和透射电子显微镜（TEM）图像显示CTB1125-NPs具有均匀的球形形貌，尺寸约为22 nm。更小的纳米颗粒可以封装更少的CTB1125分子，这可以减轻分子间堆叠相互作用引起的荧光猝灭，从而确保高量子产率。如图所示，与PS2000-PEG2000形成的CTB1125-NPs比与其他两亲性基质形成的NPs要亮得多。这是因为DSPE-PEG和F127等组分中的柔性烷基可能无法提供紧密的内部填充结构，从而抑制NPs深处的分子内运动。相比之下，PS2000-PEG2000中含有的聚苯乙烯骨架可以形成一个模拟甲苯环境的疏水核，导致TICT受到限制和荧光恢复。结果表明，PS2000-PEG2000比其他两亲性基质更适合装载CTB1125以获得更高的亮度。所得CTB1125-NPs的量子产率约为4.84%(参考文献：ICG；以IR1061为对照，该值为3.87%)，与直接分散在水中的CTB1125样品相比，其荧光增强约为23倍。其量子产率远高于目前研究的1100nm以上长波长的NIR-II染料。此外，CTB1125-NPs在水中具有良好的808 nm消光系数（3.44 × 104 M−1cm−1），保证了NIR-II成像时的信号亮度。因此，CTB1125-NPs的更高亮度允许在成像应用中使用更低的剂量和更高的灵敏度。对CTB1125-NPs的稳定性进行了评价。CTB1125-NPs在H2O或FBS中培养30天后，颗粒大小、形貌、吸收、荧光发射几乎没有变化，表明CTB1125-NPs具有良好的胶体稳定性。此外，研究了CTB1125-NPs的光稳定性，并与ICG进行了比较。808 nm激光照射30 min后，ICG在DMSO中表现出快速的光漂白，几乎没有荧光。相比之下，CTB1125-NPs的吸收光谱和荧光光谱变化可以忽略不计，溶液仍然保持高亮度。
CTB1125-NPs的药代动力学
本研究采用NIR-II成像方法研究CTB1125-NPs的代谢过程。在808 nm激光激发下（200 μL, 50 μM）静脉注射CTB1125-NPs后获得BALB/c裸鼠全身成像。如图所示，可以清楚地观察到代谢途径。半小时内，CTB1125-NPs通过血液集中在小鼠肺中，部分富集在肝脏中。然后，大量CTB1125-NPs被肠道吸收，在约4小时内到达结肠，随后被排泄系统代谢。6 h后，剩余的CTB1125-NPs在肝脏中逐渐富集，8 h时达到峰值，随后CTB1125-NPs逐渐被肝脏清除代谢。特别是在12 h内，小鼠血管清晰可见。为了进一步研究其药代动力学，采集注射CTB1125-NPs的BALB/c小鼠在不同时间的血液，并对血液进行NIR-II成像。如图所示，血液中CTB1125-NPs的荧光强度随着时间的延长而降低。静脉注射后12 h，血液中CTB1125-NPs的强度仍保持在初始的一半，说明CTB1125-NPs的血液循环时间较长。因此，它适用于长期血管成像，无需额外补充显像剂，减少代谢负担。同时，我们还收集了96 h内不同时间点小鼠的尿液和粪便，然后检测样品在1125 nm处的荧光强度。如图所示，CTB1125-NPs在尿中≈4 h，粪便中≈2 h时达到峰值。
CTB1125-NPs的体内实时成像
为评价CTB1125-NPs在体内成像的空间分辨能力，采用ICG溶液在DMSO中对BALB/c裸鼠腹部和后肢成像作为对照。如图所示，由于ICG在肝组织中富集较多，且最大发射波长小于1000 nm，未观察到清晰血管。静脉注射CTB1125-NPs （200 μL, 50 μM）后，采用不同的滤光片获得血管不同部位的NIR-II图像。为了初步评估CTB1125-NPs血管成像的分辨率，我们量化了图中标记的红线在1150 nm带通滤波器下的荧光强度。如图所示，不同部位的血管可以清晰可见，几乎可以与其荧光信号相对应。随后，将荧光曲线拟合为高斯函数，以确定荧光成像的信本比（SBR）。使用1150 nm带通滤波器的NIR-II成像显示，SBR在1.49 ~ 2.52之间远高于使用1000 nm长通滤波器。这是由于生物组织在较长的波长范围内散射和自身荧光较弱。同时，BP 1150滤光片只允许1125-1175 nm范围内的光通过。因此，来自背景的短波长的荧光信号在很大程度上被滤除。这样，即使在较长的曝光时间下，CTB1125-NPs的荧光信号也能很好地与背景信号区分开来。此外，我们还利用半最大全宽度（FWHMs）来评价CTB1125-NPs在不同滤光片下的成像分辨率。当对同一位置的成像荧光强度进行量化时，信号的高斯拟合曲线表明，使用1150 nm的带通滤波器可以获得更窄的fwhm。值得注意的是，由于颅骨处的皮肤组织较厚，使用BP 1150滤光片成像脑血管时，FWHM可以从639.6 μm显著降低到354.8 μm，成像质量显著提高。结果表明，在0.3 W cm−2的低功率激光照射下，曝光时间不超过150 ms，注入200 μL 50 μm CTB1125-NPs即可获得高分辨率图像。这种低功率激光和短曝光时间尽量减少对正常皮肤组织的伤害。此外，小剂量显像剂可确保人体在较短时间内代谢NPs。CTB1125-NPs在成像应用中的所有这些优势都是由于其优越的性能，如超过1100 nm的长发射波长和接近5%的高量子产率。
总结
我们设计并合成了一种波长和量子产率平衡良好的新型D-A-D型NIR-II荧光探针CTB1125。通过选择合适的电子给体和受体，能隙大大减小到1.14 eV，获得了从NIRI到NIR-IIa的宽发射光谱，最大发射波长可达1125 nm。同时，通过修饰荧光探针侧链，显著减少了分子间的堆积。此外，用PSPEG包封CTB1125后，可明显减弱水中TICT效应对CTB1125的猝灭作用。由此，成功制备了量子产率高达4.84%的纳米荧光材料CTB1125-NPs。与市售的近红外染料ICG相比，CTB1125-NPs具有更长的发射波长、优异的光稳定性和更高的成像信噪比。由于其优异的性能，我们成功地将CTB1125-NPs应用于小鼠血管成像。此外，由于肿瘤的EPR效应，实现了NIR-II荧光成像引导下的肿瘤手术切除。我们的研究提供了一种新的NIR-II荧光团分子骨架，激发了性能优异的NIR-II荧光团的开发。
参考文献
https://doi.org/10.1002/adfm.202413341
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