生物学的研究和人类健康、生活等密切相关，而荧光成像凭借其疾病诊断的精确性、高效性以及生命过程观察的便利性等优势越来越受到科研人员的重视。荧光探针是荧光成像的载体，设计高性能的荧光探针势必会加快生物成像应用。近年来，具有电子给体-π-受体（D-π-A）结构的荧光分子由于分子内电荷转移效应，使其具有吸收/发射红、可双光子激发等特点，从而可排除生物成像中生物自发光的干扰和增加成像深度，因此具有独特的应用价值。然而，这些荧光分子仍需要通过合成来制备，因此面临复杂的结构设计和分子合成及高昂的成本。空间电荷转移不同于分子内电荷转移，发生在电子给受体分子之间。目前，空间电荷转移复合物多基于平面电子给受体分子来构建，其紧密的分子堆积及独特的电子特性使其具有极佳的两极电荷传输性质，但关于其生物成像的研究还未有报道。
近日，暨南大学陈明副教授与港中深唐本忠院士、浙江大学钱骏教授合作基于吡嗪类AIE电子受体分子和苯胺类电子给体分子，利用二者之间的空间电荷转移效应和“扭曲-扭曲”相互作用，便捷设计了具有双光子激发性质的深红光复合物纳米探针，从而用于小鼠脑血管系统的多功能、高分辨率深度成像。该工作的研究要点如下：（1）一般而言，D-π-A结构分子探针的制备需要复杂的分子设计及繁琐的有机合成，而本文通过将电子给受体分子简单复合，基于二者之间的空间电荷转移设计了深红光荧光探针，同时该探针还具有双光子激发性质；（2）不同于传统电荷转移复合物中给受体分子所采取的“平面-平面”堆积，本文提出了扭曲电子给受体分子间的“扭曲-扭曲”相互作用，其作用如下：（a）扭曲分子可抑制π-π堆积效应导致的荧光猝灭；（b）分子结构扭曲使分子在聚集态无规堆积，从而限制激子分离、电荷传输等与发光相竞争的过程；（c）分子结构扭曲可带来多重分子间相互作用（例如C-H•••N和C-H•••π氢键等），从而限制分子在激发态的运动，促进发光；（3）“扭曲-扭曲”相互作用不限定分子间以有序堆积来实现功能，从而可以非常便利的获得光学性质好、稳定和生物相容性好的复合物纳米荧光探针，从而用于小鼠脑血管系统的活体双光子荧光成像，并具有成像深度深、成像分辨率高等优点。因此，本文不仅提出了一种便捷设计活体荧光探针的新理念，而且拓展了空间电荷转移复合物在生物成像领域的应用。
图1 （A）吡嗪类电子受体分子和三苯胺电子给体分子及其复合物的HOMO-LUMO分布；复合物中给受体分子间的（C）堆积和（D）相互作用。
图2 （A-D）小鼠脑血管在不用深度下的双光子成像图片；（E）在0-400微米深度成像图片所构建的3D图；（F）脑血管在100微米深度的双光子激发荧光寿命成像图；（G-I）在（C、D和F）图中沿着血管所画直线上获得的荧光强度及所推演的血管直径和成像信噪比。
这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章第一作者是暨南大学的硕士生洪颖娟和浙江大学的硕士生耿伟航。
Facile Access to Far-Red Fluorescent Probes with Through-Space Charge Transfer Effect for In Vivo Two-Photon Microscopy of Mouse Cerebrovascular System
Yingjuan Hong, Weihang Geng, Tian Zhang, Guangshuai Gong, Chongyang Li, Canze Zheng, Feng Liu, Jun Qian, Ming Chen, Ben Zhong Tang
Angew. Chem. Int. Ed., 2022, DOI: 10.1002/anie.202209590
https://www.x-mol.com/university/faculty/75560
钱骏
https://www.x-mol.com/university/faculty/48486
https://www.x-mol.com/groups/tang_benzhong
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