相較于可見(jiàn)/紫外光，波長(zhǎng)更長(zhǎng)的近紅外光在生物組織中具有更大的穿透深度、更高的信噪比，因此適用于器官、組織、活體動(dòng)物等復(fù)雜生物組織的成像。為了更好的成像效果，研究人員急需開發(fā)高性能的熒光染料——不僅最大吸收波長(zhǎng)要大于 800 nm（金標(biāo)準(zhǔn)是最大吸收波長(zhǎng)在 780 nm 的吲哚菁綠染料），而且需具備極高的熒光量子效率。

近日楊有軍課題組便開發(fā)了這樣一系列高性能染料，且被成功應(yīng)用于活體小鼠的全身血管成像，開啟NIR成像領(lǐng)域新征程。相關(guān)研究成果 “Stable, Bright, and Long-Fluorescence-Lifetime Dyes for Deep-Near-Infrared Bioimaging" 已在 Journal of the American Chemical Society 發(fā)表。

研究背景

2017年，楊老師課題組開發(fā)了一系列碳橋連的二苯并呫噸染料母核（ECX），它的最大吸收/發(fā)射波長(zhǎng)在880/915 nm，可以說(shuō)是高性能紅外熒光染料開發(fā)方面的一個(gè)重大進(jìn)展。此后楊老師課題組的工作，主要聚焦于在這個(gè)母核基礎(chǔ)上，將它的碳橋連改造成硅橋連基團(tuán)，并研究這個(gè)改造對(duì)染料光物理性質(zhì)有何影響。

今年這項(xiàng)工作也迎來(lái)了新突破，楊老師課題組結(jié)合硅羅丹明母核和 ECX，將 ECX 的碳橋連改造成硅橋連基團(tuán)，開發(fā)的一系列深紅外二苯并硅羅丹明染料（ESi5a-ESi5d），在 808 nm 激發(fā)下有極高的熒光量子效率。同時(shí)該染料還具有優(yōu)異的光穩(wěn)定性以及低毒性，已被成功應(yīng)用于活體小鼠的全身血管成像。

如圖1所示，ESi5a-ESi5d 可通過(guò)高效的5步級(jí)聯(lián)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)克級(jí)合成。

圖1 肖義教授和錢旭紅院士前期報(bào)道的硅羅丹明以及本文所報(bào)道的二苯并硅羅丹明母核（ESi5）

由于 ESi5 系列染料的 LUMO-HOMO 軌道有大量的重疊，使得該染料具有較高的摩爾消光系數(shù)（ε > 10⁵ cm^?1 M^?1），剛性的母核結(jié)構(gòu)使得它們具有較高的熒光量子效率（? = 0.14 in CH₂Cl₂）以及較長(zhǎng)的熒光壽命（τ > 700 ps in CH₂Cl₂）。

接下來(lái)研究人員對(duì)染料吸收光譜進(jìn)行了拆分，每一個(gè)拆分出來(lái)的組分都對(duì)應(yīng)一個(gè)單獨(dú)的光物理吸收的過(guò)程，為分子的光譜表征提供了新的方法。同時(shí)，用自主搭建的熒光顯微鏡在 808 nm 激發(fā)下對(duì)染料進(jìn)行了光穩(wěn)定性測(cè)試，并利用指數(shù)衰減曲線擬合出分子的光漂白半衰期。另外，研究人員還利用超快光譜對(duì)染料激發(fā)態(tài)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究，結(jié)合理論計(jì)算，發(fā)現(xiàn)硅原子的大原子半徑會(huì)提升染料結(jié)構(gòu)的剛性，讓染料有極高的熒光量子效率。

圖2 （A,B）ESi5a，（E,F）ESi5c 和（I,J）ESi5b-PEG 的紫外-可見(jiàn)吸收和熒光發(fā)射光，對(duì)吸收和發(fā)射光譜進(jìn)行拆分并繪制（C,D）ESi5a 和（G,H）ESi5c

最后，為了驗(yàn)證 ESi5 系列染料在生物成像中的應(yīng)用潛力，研究人員選用 ESi5a 用于活體小鼠全身血管成像。由圖3可以看出，小鼠肝臟、脾、心臟、左后肢、腦部等部位的血管清晰可見(jiàn)。另外文中也用荷瘤小鼠驗(yàn)證了 ESi5a 具有光聲成像的應(yīng)用潛力。