浙大钱骏教授/港科大唐本忠院士合作:提高荧光团的亮度，用于超过1500纳米的生物成像

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背景

光致发光（Pl）是基本的光物理过程，分子在被激发到更高的电子状态时吸收光子，然后在衰减到更低的状态时发射光子。由于量子产率高、易加工性和显着的光稳定性，有机荧光材料已在各个领域得到应用。有机荧光材料的亮度决定了它们在荧光显示和检测中的分辨率和灵敏度。但是，目前仍然没有有效提高亮度的策略。传统的平面π共轭分子具有出色的光物理性质，但由于π-π相互作用而产生ACQ现象。相反，扭曲的分子总体上显示出高的光致发光量子产率（φPL），而这是以共轭的破裂为代价而产生吸收。因此，将强吸收性和高固态φPL整合到一个分子中具有挑战性。
成果
基于以上问题，来自浙江大学的钱骏教授和香港科技大学的唐本忠院士合作，提出了一种分子设计策略：通过将平面结构结合到扭曲的骨架中来提高亮度。具有扭曲小分子的较大的π共轭二噻吩并噻吩单元TT3-oCB在NIR-IIb显示极高的亮度。对于表观宽度仅为0.04 mm的股血管，使用TT3-oCB纳米粒子可实现改善的NIR-II b图像分辨率。通过头骨的显微NIR-IIb成像，脑血管的高倍镜给出了约3.3μm的表观宽度。此外，可以非常清晰地识别出位于膀胱等深处的内部器官。相关成果以“Incorporation of Planar Blocks into Twisted Skeletons: BoostingBrightness of Fluorophores for Bioimaging beyond 1500 Nanometer”为题发表在《ACS Nano》上。
图文解析

1.   分子的设计和合成

图1 分子设计策略
研究者提出了一种提高亮度的分子设计策略：将平面部分结合到扭曲的框架中。如图1所示，该方法包括两个部分：一.从AIE继承来的扭曲体系结构，可确保总体上具有较高的φPL；二.增强的π共轭平面单元可以增强吸收能力。另一方面，因为其自发荧光极弱，光散射低，NIR-II b窗口中的荧光特别适合于哺乳动物的深部组织成像，但是该区域缺少明亮的图像。因此，研究者利用当前的分子设计策略来应对这一挑战。以先前报道的AIE gens TT1-oCB为例，其具有高NIR-IIb ΦPL和NIR-IIb尾发射。通过引入较大的π共轭平面单元，所得的带有更大π共轭平面的TT3-oCB在NIR-IIb区域显示出了超凡的亮度，为体内全身血管、股血管、脑血管和内部器官生物成像提供了强大的平台。

2.   光物理性质

接着，研究者对其光物理性质进行了研究。为了更好地计算聚集物中分子的吸收值ε，通过将分子的THF溶液溶解在水中来制备样品。TT1-oCB、TT2-oCB和TT3-oCB在聚集体中793nm处ε逐渐增加（图2e），TT3-oCB的这种强吸收被认为可以穿透更深的组织，并减少对组织的光损伤。另一方面，Pl光谱表明TT3-oCB（1060nm）的发射波长比TT1-oCB（1026 nm）和TT2-oCB（1041 nm）长，可用作深组织生物成像的NIR-II发射体（图2f）。为了进一步研究分子的荧光特性，如图3g，h所示，当fw≤30％时，TT3-oCB的发射强度由于转变为TICT状态而逐渐下降，其非辐射衰减易于使发射猝灭。当将fw从30％增加至90％时，由于纳米聚集体形成和抑制TICT状态的进入而限制了AIE gens的分子内运动，因此PL强度显着提高。总体而言，具有平面DTT共轭结构的TT3-oCB不仅显示出高吸收率，而且还具有出色的AIE性能。
图2 分子的光物理性质。（a）在THF中的摩尔消光系数。（b-d）溶液（THF）和NPs（水）中的吸收峰变化。（e）总的消光系数（fw＝90体积％）。（f）总体的PL光谱（fw＝90体积％）。（g）TT3-oCB的PL强度随fw的变化。（h）TT3-oCB的AIE曲线。

3.   细胞成像

图3（a）NIR-IIb NP制剂的示意图。（b）NP的光稳定性。（c）NP的PL光谱。插图：放大发射光谱（1500-1550 nm）。（d）不同浓度的NPs（1500-1550 nm）的积分荧光光谱之间的关系。（e）比较NP的NIR-IIb信号（0.2 mg / mL，793 nm激发，1500 nm LP，17 mW / cm2，100 ms）。 插图：NIR-IIb荧光图像
为了进一步评估荧光特性，研究者使用FDA批准的表面活性剂Pluronic F127将AIE分子封装到纳米粒子（NPs）中（图4a）。NP对光漂白的稳定性对于防止出现误导性信号至关重要，这在生物成像领域非常重要。如图3b所示，激光照射后Pl强度几乎没有变化，该结果表明AIE NP具有优异的光稳定性。对于NP处显示发射峰（图3 c），观察到发射尾巴延伸到1550 nm（图3c的插图），表明在NIR-IIb成像中有潜在的应用。接下来，对三个NP进行了体外成像（图3e），在相同的质量浓度下，尽管染料分子的数量相应减少，NPs的亮度却随着分子平面化的增加而增加。由于NIR-IIb区的ΦPL相似，则793nm处入射激光的吸收率决定了样品的亮度，证明了本分子设计策略的可行性。所有这些结果表明，具有增强亮度的TT3-oCB NP适用于NIR-IIb成像。并且随着溶液浓度的增加，可以在NIR-IIb窗口中保持毛细管的锋利边缘。

4.   体内成像

图4 A.使用TT3-oCB NP（200μL，0.8 mg/mL）处理的具有不同LP滤器的活体小鼠的全身血管NIR-II荧光成像。B.用TT3-oCB NPs处理的具有不同LP滤器的活小鼠股骨血管的NIR-II荧光成像。
最后，研究人员用TT3-oCB NP对全身血管、股血管、脑血管、膀胱成像。对于全身血管成像，1500 nm LP（long-pass）和1200 nm LP成像的同一血管的表观宽度为分别为0.49和0.83 mm（图4A），而高通拟合的轮廓很难通过1000 nm LP获得，这表明NIR-IIb荧光成像可提高空间分辨率。与此同时，为了证明TT3-oCB NP对拓扑血管的成像质量，对小鼠后肢进行了NIR-II b成像。与常规NIR-II区域相比，NIR-IIb成像（1500 nm LP）显示更高的清晰度。并且，主血管的表观宽度随LP的波长而减小，分别对900、1200和1500 nm LP产生0.4、0.33和0.26 mm的光，这表明NIR-IIb成像提供了最高的分辨率（图4B），甚至可以区分隐藏在主要血管附近的微小血管。此外，TT3-oCB NP可以对脑血管和膀胱进行深度和高分辨率的成像（图5A，B）。这些结果表明由于NIR-IIb区域中TT3-oCB NP的亮度很高，再加上深层的穿透力和高分辨率，它不仅为检测与膀胱相关的疾病，而且为监测其他重要的内部器官提供了可靠的平台。
图5 A.通过完整的颅骨对活体小鼠脑血管进行NIR-IIb成像。B.在经TT3-oCB NP处理的不同LP滤器下活小鼠的NIR-II膀胱成像。

结论

总而言之，研究人员提出了一种通过将适当的平面π共轭嵌段掺入扭曲的AIE gen中来提高NP亮度的分子设计原理，AIE功能可确保NP的ΦPL高。其中，TT3-oCB NPs由于具有最佳的吸收率和ΦPL，在NIR-IIb区域中显示出极好的亮度。使用TT3-oCB NP进行NIR-IIb成像可对全身血管、股血、，脑血管和内部器官进行成像，并提高清晰度。这项研究证明了开发高亮度荧光团的分子设计策略的成功。

文章链接：
https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.0c07527
来源：高分子科学前沿


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