【材料】北理工/宾大JACS：NIR-II荧光染料分子设计的关键描述符及其验证- 大数跨境

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2024-04-10

导读：北京理工大学郑小燕副教授和石建兵副教授与美国宾夕法尼亚大学Joseph S. Francisco教授合作，采用“聚集诱导发光（AIE）分子设计-量化计算-特征描述符筛选-实验验证”的研究思路

光学成像技术具有无创、灵敏度高和实时监测等优势，在肿瘤诊断与治疗领域越来越受到科学研究工作者的关注。尤其是近红外二区（NIR-II，1000~1700 nm）荧光染料，其具有更深的生物组织穿透深度、较低的生物组织吸收和散射、较小的自荧光干扰和更高的空间分辨率，近几年已经成为前沿基础科学领域的研究热点，有望为个性化智能医疗技术的发展夯实根基。然而，由于缺乏分子设计策略及其构效关系，现阶段NIR-II染料的开发一般通过实验试错法，合成效率较低，NIR-II荧光染料的新结构发展缓慢。采用理论计算可以建立NIR-II染料分子结构、关键物理量和光谱之间的内在关系，提升NIR-II染料分子设计的效率，推动NIR-II染料新分子的开发与应用。

鉴于此，北京理工大学郑小燕副教授和石建兵副教授与美国宾夕法尼亚大学Joseph S. Francisco教授合作，采用“聚集诱导发光（AIE）分子设计-量化计算-特征描述符筛选-实验验证”的研究思路，以多芳基吡咯（MAPs）荧光分子为模板，通过改变取代基类型、位置、数量等设计了62个具有AIE特性的给体-受体型（D-A）分子（图1），系统的量化计算表明，所设计的MAPs分子的光谱跨越可见光区到NIR-II区整个光谱范围，并基于此提出了表征NIR-II荧光染料的两个关键描述符—ΔE_gs（基态前线轨道能隙）和μ_gs（基态电偶极矩）。进一步拓展计算，表明这两个关键描述符不仅适用于MAPs类荧光染料分子，也适用于国内外已报道的其它非MAPs类的NIR-II荧光染料分子，具有很好的普适性。与此同时，通过实验对10个MAPs进行了实验吸收和发射光谱的测试，结果表明这些MAPs的光谱范围与理论预测完全一致，其中MAP23-BBT具有NIR-II发射，并表现出高空间分辨率的血管成像性能，证实了该策略的有效性，为开发新型NIR-II荧光染料分子提供了一个提前预判的有效工具。

图1. AIE型MAPs分子设计策略

在对62个分子基态、激发态结构和吸收、发射光谱系统理论计算的基础上，从与光谱性质相关的16个描述符中筛选出两个关键描述符（ΔE_gs和μ_gs），它们与最大发射波长之间存在强相关性（图2），可用于预测NIR-II区的发射光谱，并根据拟合的线性曲线，提出了NIR-II染料的判定标准：∆E_gs和μ_gs的阈值分别为2.50 eV和22.55 D，即当∆E_gs ≤ 2.50 eV，μ_gs ≤ 22.55 D时，分子的发射光谱可到达NIR-II区。

图2. 描述符间Pearson相关系数矩阵

为了验证描述符的准确性，对十个MAPs进行了实验吸收和发射光谱的测试（图3a-b）。结果表明，这些MAPs的光谱范围与理论预测完全一致，只有MAP23-BBT具有NIR-II发射（图3c）。为进一步探究所提出分子描述符的普适性，从文献中收集近期国内外报道的50个非MAPs系列的NIR-II染料，通过计算表明50个分子对应的分子描述符投影均位于NIR-II区域内（图3d）。因此，证明了所提出的两个关键描述符不仅仅适用于MAP系统，还对大多数已报道的D−A−D型非MAP系列的NIR-II染料具有普适性。

图3. 理论预测描述符的普适性验证

最后，验证了MAP23-BBT在生物成像中的潜在应用，它的光稳定性以及在近红外二区的发射强度均显著高于商用染料ICG（图4a-c）。最重要的是，MAP23-BBT NPs可以在深部组织血管造影中实现高空间分辨率的NIR-II成像（图4d）。

图4. MAP23-BBT NPs的活体成像实验验证

该工作近期发表在Journal of the American Chemical Society 上。第一作者为北京理工大学博士研究生曾怡和屈佳敏，通讯作者为郑小燕副教授、石建兵副教授和Joseph S. Francisco教授。李泽生教授和董宇平教授对本工作的完成给予了重要指导。该研究得到国家自然科学基金的经费支持。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Two key descriptors for designing second near-infrared dyes and experimental validation

Yi Zeng,^† Jiamin Qu,^† Guanghao Wu, Yeyun Zhao, Jiaman Hao, Yuping Dong, Zesheng Li, Jianbing Shi,* Joseph S. Francisco,* and Xiaoyan Zheng*

J. Am. Chem. Soc., 2024, DOI: 10.1021/jacs.3c14805

研究团队简介

郑小燕，北京理工大学长聘副教授，博士生导师。清华大学理学博士，香港科技大学博士后。长期致力于分子组装体结构与发光过程的理论研究。通过多尺度理论模拟、动力学网络模型与基于热振动关联函数的激发态速率理论结合，在复杂有机分子组装体结构的形成机制与聚集体发光机理方面取得了很多创新性成绩。迄今在PNAS, JACS, Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Commun., JPCL等国际顶级期刊发表论文90余篇，H-index = 32。承担国家自然科学基金青年、面上项目及北京市自然科学基金面上项目等。

课题组主页

https://www.x-mol.com/groups/zheng_xiaoyan

石建兵，北京理工大学副教授。北京理工大学工学博士，香港科技大学访问学者，新加坡国立大学博士后，美国佛罗里达州立大学访问学者。2009年9月至今北京理工大学材料学院工作，2015年7月聘为副教授。作为课题负责人，已完成国家自然科学基金青年、面上基金3项，教育部基金2项，企业研发基金3项。主要研究方向有：(1) 有机发光材料的设计开发及其在生物医学领域的应用；(2) 多功能高分子材料设计开发及其在高端光刻胶、药物智能控释等领域的应用。已发表SCI收录论文80余篇，获中国授权专利7项。

石建兵

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