Chem. Mater.┃丙烯二氧噻吩构建亮度增强的近红外二区荧光分子

英文原题：Propylenedioxy Thiophene Donor To Achieve NIR-II Molecular Fluorophores with Enhanced Brightness

通讯作者：梁永晔，南方科技大学；孙海涛，华东师范大学；朱守俊，吉林大学
作者：Huilong Ma, Chunchen Liu, Zhubin Hu, Panpan Yu, Xingfu Zhu, Rui Ma, Zhenrong Sun, Chun-Hui Zhang, Haitao Sun*, Shoujun Zhu*, Yongye Liang*

相比传统荧光生物成像采用的可见光（400-700 nm）及近红外一区（NIR-I，700-1000 nm）窗口，近红外二区（NIR-II，1000-1700 nm）由于生物体的光吸收、散射和组织自荧光得到有效降低，展现出更深的成像深度和更高信噪比等优势。发展近红外二区成像技术的一个核心是开发高亮度的NIR-II荧光分子材料。之前的研究表明具有S-D-A-D-S分子结构（S：屏蔽单元；D：给体单元；A：受体单元）的NIR-II荧光分子通过合理的分子结构设计，可以获得较高的荧光量子产率。然而，它们的吸收系数较低，从而限制了亮度的提高，影响生物成像质量。

近日，南方科技大学的梁永晔教授团队与华东师范大学的孙海涛教授团队及吉林大学的朱守俊教授团队合作将3，4-丙烯二氧噻吩（PDOT）作为给体单元构建出亮度增强的S-D-A-D-S型NIR-II荧光分子IR-FP8P（图1）。IR-FP8P在水溶液中的峰吸收系数较以往S-D-A-D-S型分子提高一倍以上，同时保持较好的荧光发射性能。实验与理论计算结果表明，PDOT单元相比于烷基噻吩（3-AT）所造成的分子骨架扭曲更小，有助于分子吸收、发射光谱的红移及吸收系数的提高；PDOT单元相比于3，4-乙烯二氧噻吩（EDOT）具有更强的疏水性，且在亚丙基中间碳上可以连接烷基链，在不增加分子骨架扭曲的情况下对分子骨架进行更好的疏水保护，降低分子骨架与水分子的相互作用以有效提高荧光量子产率。IR-FP8P的荧光亮度比之前开发的IR-FTAP和IR-FEP分子提高了约3倍以上。团队人员将IR-FP8P与卵泡刺激素（FSH）共轭连接，得到荧光探针FSH@FP8对小鼠卵巢进行靶向成像。IR-FP8P染料的高亮度使得成像质量较之前报道的染料更高，成功实现了曝光时间仅为20 ms的NIR-II快速成像。

图1. 开发的NIR-II有机荧光分子的结构。

团队对所设计的荧光分子在甲苯及磷酸缓冲盐溶液（PBS）中的吸收和荧光光谱进行测试（图2），发现以PDOT作为给体单元的IR-FP8P在水溶液中具有显著提高的峰吸收系数和荧光量子产率。IR-FP8P的荧光量子产率为0.6%（以IR-26为0.05%作为参照），峰吸收系数为1.3×104 M-1•cm-1，在808 nm波长下的荧光亮度为60，是IR-FTAP的3.7倍，IR-FEP的5.7倍。

图2. a）荧光分子在甲苯中的吸收谱图；b）荧光分子在甲苯中的荧光发射谱图；c）荧光分子在PBS中的吸收谱图；d）荧光分子在PBS中的荧光发射谱图。

分子动态模拟计算发现，带有双辛基的PDOT给体单元对荧光分子骨架具有非常好的保护作用，有效防止分子与水的相互作用（图3）。以受体单元BBTD为中心，同一半径范围内，IR-FP8P分子周围具有最少的水分子分布。

图3. a）水环境下分子动态模拟计算结果示意图；b）以BBTD为中心的水分子半径分布函数图；c) 以BBTD为中心的水分子数量的半径分布图。

最后，通过点击化学反应，将荧光分子与卵泡刺激素（FSH）共轭连接，得到靶向荧光探针FSH@FP8，并成功实现对小鼠卵巢的靶向成像（图4）。

图4. a）荧光分子IR-FP8P与卵泡刺激素（FSH）共轭连接示意图；b)荧光探针FSH@FP8对小鼠卵巢和骨头的荧光成像图；c）小鼠卵巢成像信号/背景图。

该研究成果近日发表在美国化学会旗下期刊Chemistry of Materials 上，梁永晔教授课题组的研究助理马慧龙和研究助理教授刘春晨为论文的共同第一作者，梁永晔教授、孙海涛教授及朱守俊教授为共同通讯作者。