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有机染料 | 具有临床应用潜力的NIR-II激活型分子荧光探针(上)

发布时间:2026-03-13 14:04

本文要点:近红外二区(NIR-II)荧光成像因其卓越的时空分辨率和深层组织穿透能力,已被广泛应用于基础科学研究和临床前应用。在各类荧光剂中,有机小分子荧光染料因其明确的化学结构、可调的光学性质及优异的生物相容性,被视为最具临床转化潜力的候选者。然而,目前许多可用的NIR-II荧光染料呈现“始终开启”(always-on)的荧光信号,导致背景噪声增加,从而在疾病检测中降低诊断准确性。开发用于精准报告病理变化的NIR-II可激活有机小分子荧光探针(AOSFPs),是推动NIR-II荧光成像迈向临床应用的关键。本综述总结了基于四种核心结构(花菁、半花菁、氧杂蒽和BODIPY)的NIR-II AOSFPs的理性设计策略。这些NIR-II AOSFPs具有显著的临床转化潜力。此外,本文全面回顾了NIR-II AOSFPs在NIR-II生物成像中的最新进展,为其进一步发展提供了明确的指导与方向。最后,本文概述了推动NIR-II AOSFPs实现临床应用的前瞻性努力。





方案1. 近红外二区(NIR-II)可激活有机小分子荧光探针的示意图


本文综述了NIR-II AOSFPs的最新进展,特别关注探针的设计原理(方案1)。本文首先提出高性能NIR-II AOSFPs分子工程的关键准则,随后聚焦于基于NIR-II AOSFPs的生物成像与生物传感应用。最后,讨论了NIR-II AOSFPs分子设计当前面临的挑战与机遇。


NIR-II AOSFPs的合理设计


迄今为止,花菁、半花菁、荧光素和BODIPY核心得益于其卓越的光物理性质,已被广泛应用于众多NIR-II可激活有机小分子荧光探针(AOSFPs)设计策略中。本文系统综述了这些荧光团的结构特征,并着重阐述了通过合理的设计策略实现可激活NIR-II荧光发射的方法。


1 花菁

1.1 花菁骨架特征与合成前景


图1. a) 经典花菁结构的示意图。b) 开发花菁染料的常见合成路线。c) 具有代表性的花菁NIR-II AOSFPs


花菁类荧光团是近几十年来最成功的荧光染料之一,已被广泛应用于生物成像研究。其中,吲哚菁绿(ICG)是目前唯一获得美国食品药品监督管理局(FDA)批准用于临床诊断的荧光团。 钱等人利用ICG对恒河猴脑血管系统进行成像,并开发了两种NIR-II荧光显微系统,能够精确计算毛细血管血流速度并监测心脏冲动周期。该研究在人类神经血管耦合、中风及其他神经血管相关疾病的研究中取得了重大突破。此外,由于其窄吸收光谱和高吸收系数,花菁类荧光团是多通道生物成像的理想探针。通常,经典花菁荧光团主要由两个独立嵌入杂环(如吡咯、吡啶、吲哚、噻唑、苯并噻唑等)的氮原子和一个π-共轭多甲川链组成(图1a)。 花菁的光物理性质可通过改变π-共轭链或末端基团轻松调控。例如,通过延长共轭结构长度并调整化学取代基,某些花菁荧光团(如IR-26、IR-1061和IR-1048)的发射峰可红移至超过1000 nm的NIR-II区。目前,花菁染料已可通过高效方法合成,通过芳香族季铵盐与合适的缩合剂缩合制得。Cy7衍生物则通常通过类似于图1b所示的过程合成。该方法便于合成具有多种间位取代基的花菁NIR-II AOSFPs。图1c展示了若干代表性花菁NIR-II AOSFPs的化学结构。

1.2 基于淬灭基团移除的花菁NIR-II AOSFPs

将非荧光的“笼蔽”态探针通过淬灭基团的脱除实现荧光释放,是一种广为接受的设计策略(图2a)。尤其是苯硼酸酯类基团,已被广泛用作活性氧物种(ROS)响应单元。


图2. a) 基于猝灭基团移除的菁染料近红外二区吸收(NIR-II)激活型荧光探针(AOSFPs)的设计策略。b) ONOO−激活型近红外二区荧光传感器IRBTP-B的化学结构及其传感机制。c) H2O2激活型IR-990用于检测H2O2的示意图。d) 探针PEG3-HC-PB对H2O2的化学结构和响应机制。


Zhang及其合作者开发了一种用于检测ONOO的可激活NIR-II荧光探针(IRBTP-B)(图2b)。该探针将苯硼酸酯基团引入苯并硫吡啶鎓花菁骨架中,破坏了共轭π电子体系,从而淬灭了NIR-II荧光发射。在ONOO存在下,苯硼酸酯淬灭基团被脱除,进而激活NIR-II荧光。

此外,Xiong等人有针对性地设计并合成了用于检测H₂O₂的IR-990探针。该探针通过在花菁染料骨架中引入苯硼酸酯片段作为H₂O₂识别位点而构建。在H₂O₂作用下,苯硼酸基团发生氧化,随后经历分子内自消除与π电子重排,最终激活NIR-II荧光(图2c)。

2023年,Wu及其同事通过在分子中心引入响应单元(苯硼酸基团),构建了一种H₂O₂激活的NIR-II荧光探针(PEG3-HC-PB)。在H₂O₂存在下,PEG3-HC-PB中的苯硼酸基团转化为苯酚羟基,显著增强NIR-II荧光发射,用于成像(图2d)。

1.3 基于共轭结构变化的花菁NIR-II AOSFPs

众所周知,刚性平面结构与共轭体系通常是荧光分子的必要特征。因此,调控荧光团的刚性平面结构与共轭体系,是设计具有“开启”型信号可激活探针的常用策略(图3a)。


图3. a) 基于共轭结构变化的菁染料NIR-II AOSFPs的设计策略。b) Cy-脂质对pH的响应图。c) Hydro-1080和Et-1080的结构和转化。d) NIRG-2检测G4的可能机制。


基于该策略,Liu及其同事通过直接断裂与恢复有机荧光团的共轭体系与刚性平面结构,制备了用于检测∙OH的NIR-II荧光探针Hydro-1080。Et-1080具有平面几何构型,而Hydro-1080因C═N键还原为C─N键而发生扭曲,导致荧光淬灭;在∙OH氧化作用下,共轭体系及相应荧光得以恢复(图3b)。

Chen引入了一种pH响应型NIR-II染料-脂质偶联物(Cy-lipid)。 在酸性条件下,Cy-lipid中的氮原子发生质子化,引发电子重排,形成扩展的多甲川π-共轭体系,从而激活NIR-II吸收(图3c)。在1064 nm激发下,1118 nm处的NIR-II荧光发射强度随pH从7.4降至5.0逐步增强3.4倍。

G-四链体(G4)是一种具有二级结构的四链非经典核酸,在调控细胞基本过程方面发挥重要作用。 Zhang等人提出了一种新颖的分子策略,用于开发针对G4结构的“off-on”型NIR-II荧光探针。 通过在花菁骨架中引入两个可旋转供体基团,获得了一种吸收/发射波长超过850/940 nm的NIR-II花菁染料NIRG-2。初始状态下,NIRG-2在PBS缓冲液中几乎无发射,源于严重的扭曲分子内电荷转移(TICT)过程;然而,当与G4结构相互作用时,观察到显著的荧光增强(图3d)。这种增强可能源于NIRG-2与G4结构之间形成稳定的氢键与强π–π相互作用,有效抑制了TICT过程。

1.4 基于分子内电荷转移的花菁NIR-II AOSFPs

目前,通过增强杂环末端的给体/受体强度以缩小带隙,或延伸π-共轭亚乙烯基主链等策略,已成功合成了发射波长超过900 nm的NIR-II多甲川花菁染料。然而,这些NIR-II花菁染料仍面临诸多挑战,包括斯托克斯位移过窄(< 50 nm)、化学与光稳定性不足,以及在水环境中易发生聚集诱导淬灭。


图4. 花菁NIR-II AOSFPs基于ICT的设计策略。


为开发具有大斯托克斯位移和高信背比(SBR)的NIR-II花菁染料,分子设计中需考虑若干关键因素:首先,可引入具有强给体能力的杂环末端,以降低带隙并将发射拓展至NIR-II窗口;其次,采用不对称结构可有效增大斯托克斯位移;最后,引入“双钥匙-锁”机制有助于实现高SBR。综合上述因素,熊课题组设计并合成了系列NSCyanine染料,即NSCy-975、NSCy-980和NSCy-1015,以及对照荧光团Cy-830(图4a)。 在中性pH缓冲溶液中,NSCyanine染料呈“关闭”状态,无NIR荧光发射,其最大吸收峰分别位于580 nm、550 nm和530 nm;而在酸性条件下,吸收峰发生红移至825/910 nm、829/915 nm和718 nm,并伴随强烈的NIR-II荧光发射峰,分别位于975 nm、980 nm和1015 nm。相比之下,具有对称结构的对照荧光团Cy-830因杂环末端给体能力较弱,在酸性pH缓冲液中仅发射波长为830 nm的NIR-I荧光。值得注意的是,与ICG、IR-820和Cy-830相比,NSCyanine染料的斯托克斯位移最大可达297 nm(图4b)。

通过对NSCyanine染料与Cy-830的HOMO和LUMO能级进行计算,进一步揭示了该现象的机理:在酸性条件下,由于分子内电荷转移(ICT)机制增强,能隙减小,且杂环末端给体强度越强,能隙越窄。此外,引入七甲川链以实现灵活旋转,使NSCyanine染料对黏度变化具有高敏感性。综上,这种非对称设计策略不仅拓展了NIR-II花菁染料的设计范畴,也显著提升了其应用潜力。

1.5 缺陷与展望


花菁是一种优异的染料,具有合成步骤简单、摩尔消光系数大、吸收波长可调、易于修饰以及良好生物相容性等特点,近年来备受关注。本节介绍了花菁染料的骨架特征与合成方法,并阐述了花菁NIR-II AOSFPs的设计。基于去除淬灭基团的设计策略具有广泛适用性,可针对多种检测目标进行定制;然而,该方法通常需要复杂的分子设计与繁琐的化学合成。相比之下,基于共轭结构修饰与分子内电荷转移(ICT)的策略简化了合成要求,但响应底物的选择范围有限。尽管花菁NIR-II AOSFPs发展迅速,仍存在若干挑战:1)花菁NIR-II AOSFPs的光稳定性差,限制了其在生物体内的长时间连续成像;2)水溶性差易导致水介质中形成聚集体,引发荧光淬灭;3)斯托克斯位移小易引起自淬灭与测量误差,显著降低检测灵敏度。因此,未来研究将聚焦于开发具有更高稳定性、更好水溶性及更大斯托克斯位移的花菁NIR-II AOSFPs。


2 半花菁

2.1 半花菁骨架特征与合成前景


半花菁是花菁家族中的重要成员,广泛应用于生物成像与生物传感领域。半花菁具有供体-π-受体(D-π-A)结构体系,其分子结构通常由一个带正电荷的氮杂环部分作为电子受体,末端连接羟基、烷氧基或氨基作为电子供体,二者通过π-共轭桥相连(图5a)。传统半花菁由于在激发态中存在强烈的分子内电荷转移(ICT)过程,从电子供体向受体迁移,因而表现出较大的斯托克斯位移。


图5. a) 经典半花菁结构的示意图。b) 半花菁骨架的合成方法。c) 基于半花菁骨架的可激活荧光探针的代表性化学结构。


早期研究者通过在碱性条件下将氯代花菁染料与间苯二酚反应来制备半花菁荧光团(图5b)。此类策略破坏了经典花菁的构建方式,限制了半花菁荧光团衍生物的多样化获取。相比之下,从头合成为半花菁衍生物的制备提供了更高的灵活性。2015年,Richard提出了灵活的半花菁荧光团从头合成方法。该从头合成策略简化了羟基、氨基等功能基团的引入,极大推动了半花菁的发展。图5c展示了若干代表性半花菁NIR-II AOSFPs的化学结构。


2.2 基于ICT的半花菁NIR-II AOSFPs


调控供体的电子给体能力是影响半花菁分子内ICT过程的高效策略,基于此已开发出多种化学传感器。 例如,当与识别基团共轭的封存酚类荧光团暴露于靶标时,探针的识别部分被选择性裂解,生成含有羟基或氨基的半花菁荧光团,从而通过ICT过程的触发产生强烈的荧光信号(图6a)。


图6. a) 基于ICT的半花菁NIR-II AOSFPs的设计策略。b) Q-NO2的结构及其对硝基还原酶的响应机制。c) TX-APN的结构及其对APN的响应。d) NIR-II-HD5-ALP的设计用于ALP检测。e) AIR及其活化形式AIR-OH在HClO作用下的化学结构。


受这些特性启发,Wu课题组设计了一种用于检测硝基还原酶的激活型纳米探针(NP-Q-NO₂)。将硝基苄氧基二苯胺基团连接至供体分子后,荧光淬灭;当其与硝基还原酶特异性反应后,该吸电子基团转化为供电子基团,从而实现荧光开启(图6b)。

此外,Wu等人选取三氰基呋喃、荧光素和丙氨酸分别作为N-氨肽酶(APN)的电子受体、电子供体和响应单元,构建了NIR-II探针TX-APN。TX-APN对APN具有特异性响应,催化丙氨酸转化为胺,进而触发纳米探针产生强健的NIR-II荧光信号(图6c)。

半花菁染料及其类似物可通过修饰羟基轻松合成并设计为探针。然而,这些半花菁衍生物因主要发射波长较短,不适用于NIR-II传感。为此,Yuan课题组对现有半花菁结构进行了重大改造,使其适配NIR-II成像需求。 具体包括:将吲哚杂环替换为1,4-二乙基-十氢喹喔啉并苯并吡喃基团,在半花菁分子的易损位点引入苯甲酸基团,并调控酚羟基的pKa值。作为这一策略的示例,通过精细调控羟基,开发出一种用于检测碱性磷酸酶(ALP)的激活型NIR-II探针NIRII-HD5-ALP(图6d)。

发射波长的调控依赖于战略性分子设计。近期,Huang等人通过将苯并[c,d]吲哚和苯并[b]氧杂蒽硫吩引入传统半花菁骨架,成功实现了发射波长超过1050 nm的荧光团。 进一步构建了一种用于HClO触发NIR-II成像的激活型探针报告子(AIR)(图6e)。该工作提出了一类适用于激活型NIR-II成像的新颖半花菁骨架体系。

2.3 基于分子转子的半花菁NIR-II AOSFPs

基于分子转子的探针在细胞黏度检测中发挥关键作用,目前已有多类精心设计的荧光探针用于黏度成像(图7a)。 通常,转子组分在低黏度环境中可自由旋转,导致能量通过非辐射跃迁耗散,从而引发荧光淬灭;而在高黏度溶剂中,C─C键的旋转受到限制,从而增强荧光。


图7. a) 基于转子的半花菁NIR-II AOSFPs的设计策略。b) 粘度响应探针Cy-914的示意图。c) DPXBI响应粘度的分子结构和拟议机制。


Xiong课题组成功设计并合成了响应黏度的NIR-II荧光探针Cy-914。其供体酚基与受体1-乙基-苯[c,d]碘𬭩通过三个可旋转双键连接。在高黏度条件下,由于分子内自由旋转受阻,Cy-914展现出强烈的NIR-II荧光(914/1030 nm)(图7b)。

2023年,Zhang及其合作者提出了一种新型NIR-II黏度荧光探针DPXBI。DPXBI以苯基吲哚磺酸盐骨架作为分子转子,因其强烈的分子内旋转特性而对黏度变化高度敏感。在低黏度条件下,连接吲哚衍生物与氧杂蒽骨架以及氧杂蒽分子中二苯胺的双键可自由旋转,破坏共轭体系,导致荧光强度降低;随着黏度升高,这些单元的分子内旋转受到抑制,从而实现荧光恢复(图7c)。


2.4 缺点与前景


与传统荧光染料相比,半花菁具有结构与功能多样性、大斯托克斯位移及良好生物相容性等优势,是构建功能型传感探针的理想骨架。过去十年中,激活型半花菁探针已成为可视化多种生理与病理过程的有力工具,广泛应用于疾病诊断、实时治疗监测及影像引导手术等领域。本章阐述了半花菁的从头合成路径,以及基于分子内电荷转移(ICT)和分子转子机制的半花菁NIR-II AOSFPs的设计与应用。ICT策略具有广泛的适用性,但需复杂的化学合成过程;而基于转子的设计策略分子结构相对简单,主要聚焦于转子结构的引入,但其应用仅限于黏度检测。然而,为实现对致密且深部病变组织的有效成像,目前多数半花菁的发射波长仍集中于NIR-I区,限制了其生物学应用。此外,半花菁染料较低的荧光量子产率,为众多智能荧光探针的开发带来了显著挑战。因此,亟需持续努力,开发具有高亮度与深组织穿透能力的半花菁NIR-II AOSFPs。


3 氧杂蒽

3.1 氧杂蒽骨架特征与合成前景


过去几十年中,氧杂蒽染料在生物成像领域得到了广泛应用。 具有氧杂蒽核心的荧光染料属于氧杂蒽家族,代表性化合物为罗丹明和荧光素(图8a)。氧杂蒽染料具有高吸光系数、良好的水溶性、低细胞毒性和高荧光量子产率等特性。 凭借其卓越的光学性能,市售的荧光素/罗丹明染料被广泛应用于各类化学、生物和医学研究实验室。例如,罗丹明123用作线粒体示踪剂;罗丹明B和罗丹明101则被广泛认可为荧光化合物量子产率测定的参考标准。


图8. a) 氧杂蒽核心、荧光素和罗丹明染料的结构。b) 经典罗丹明的合成。c) 氧杂蒽NIR-II AOSFPs的代表性化学结构。


鉴于氧杂蒽荧光团的优异性能,科学家们已投入大量努力进行研究。 图8b展示了由邻苯二甲酸酐与间氨基苯酚合成罗丹明衍生物的经典路线。 然而,氧杂蒽染料因激发和发射波长较短,不适合用于体内成像。为克服这一局限,大量研究致力于开发红移型氧杂蒽荧光团,以应用于生物成像与生物诊断。经典且有效的波长红移策略是延长氧杂蒽染料的π-共轭体系。 然而,π-共轭体系的扩展也会带来一些缺陷,如水溶性下降和荧光淬灭。另一种策略是将10位桥接氧原子替换为硅、磷 或碳。此外,供体-受体-供体(D-A-D)策略也是一种有效方法。通过上述方法,众多氧杂蒽衍生物可被红移至NIR-I窗口,但仅有少数能进入NIR-II窗口。因此,仍亟需开发突破性的NIR-II氧杂蒽荧光团设计策略。 图8c展示了若干代表性氧杂蒽NIR-II AOSFPs的化学结构。


3.2 基于螺环/开环结构的氧杂蒽NIR-II AOSFPs


如图9a所示,罗丹明衍生物存在两种截然不同的构型:开环形式与闭环形式(螺内酯)。这两种形式之间的平衡决定了整个环体系的共轭程度。在非极性溶剂中,罗丹明衍生物主要以螺内酯形式存在,其特征为极低的摩尔吸光系数、荧光量子产率和寿命,这归因于体系中π-共轭的中断。而在极性溶液中,其主要以具有开环结构的电荷分离型两性离子形式存在。环的打开使发色团的π-共轭体系延长,从而显著提升摩尔吸光系数、荧光量子产率和荧光寿命。氧杂蒽染料及其衍生物中螺环开环的这一现象,已被研究人员广泛用于开发多种用于化学传感的荧光探针。


图9. a) 基于螺环/开环结构的氧杂蒽NIR-II AOSFPs的设计策略。b) 探针NIRII-RT-pH的设计与机制。c) Hg2+/MeHg+可激活荧光探针NIR-Rh-MS的设计d) H2O2-D4和H2S-D4的探针结构及其传感机制。


基于这一策略,Tan等人报道了一种靶向激活型NIR-II探针(NIRII-RT-pH)用于pH检测。 通过在羧酸取代的NIRII-RT4上引入氨基丙炔基作为pH响应基团,获得了NIRII-RT-pH。该化合物因分子内螺环结构的形成而几乎无荧光;当pH降低时,NIR-II荧光显著增强(图9b)。

此外,Liu等人开发了一种NIR-II发射探针NIR-Rh-MS。 NIR-Rh-MS通过利用氧杂蒽染料的“螺内酰胺开环”机制实现。该探针以电子更丰富的硫代氨基脲基团作为识别位点,可高效捕获甲基汞,从而实现对MeHg⁺和Hg²⁺的同时特异性检测(图9c)。

近期,Li等人构建了一种可激活探针的基础平台,通过分析物触发的π-共轭体系智能调控,实现了NIR-II发射的罗丹明杂化分子的响应性设计。 通过精细调控邻位羧基的亲核性,实现了“强推-开环、轻推-闭环”的电子效应。该效应确保探针在传感前完成完全螺环化,并在光敏的苯胺氨基甲酸酯触发基团转化为强推电子苯胺时,高效形成两性离子。该策略展现出广泛适用性,已成功用于设计检测H₂O₂和H₂S的探针(图9d)。


3.3 基于ICT的氧杂蒽NIR-II AOSFPs


氧杂蒽类荧光团的另一重要特性是其能够便捷地调控分子内电荷转移(ICT)过程(图10a)。


图10. a) 基于ICT的氧杂蒽类NIR-II AOSFPs的设计策略。b) RHC-NO2用于NTR检测的传感机制。c) 双可激活探针PN910的理性设计策略及其拟定的响应机制。d) Rap-N和Rap-R的结构与设计。e) β-半乳糖苷酶探针Flavchrom-4的设计。f) BC-Cys和BC-H2O2的化学结构及其分别对Cys和H2O2的响应。


Ma等人设计了一种新型“关-开”型荧光探针RHC-NO2,专用于NTR的特异性检测,并适用于NIR-II区荧光成像。 该探针以罗丹明-杂化聚甲川结构为骨架,引入硝基作为NTR的识别基团与荧光猝灭剂。当与NTR作用时,硝基被还原为氨基,从而恢复NIR-II区的荧光发射(图10b)。

Zhang团队构建了一种可选择性检测H₂O₂和ONOO⁻的NIR-II荧光探针PN910(图10c)。 通过p-硼酸酯苄基对羟基进行烷基化,阻断了ICT效应,导致荧光猝灭;在碱性环境中,H₂O₂或ONOO⁻去除保护基团后,羟基恢复,形成酚类荧光团。在808 nm激光激发下,可清晰观测到NIR荧光信号。

此外,Lei等人设计了一种名为Py-2的分子平台,可通过整合罗丹明6G骨架与聚甲川结构,改造为比率型NIR-II荧光探针(图10d)。 进一步将NTR可激活单元——硝基苯基嫁接到Py-2骨架上,获得比率型NTR响应探针Rap-N。在NTR存在下,4-硝基苄基发生高效的1,6-消除反应,随后氨基甲酸酯水解,释放出荧光团Py-2。随后,通过在Py-2分子上嫁接ROS响应型硼酸酯,构建了ROS激活的比率型NIR-II探针Rap-R。该分子平台可对酶与小分子产生显著的比率型NIR-II荧光响应。

高性能NIR-II荧光团在体内生物成像中备受关注,但稳定、明亮且生物相容的分子荧光团的匮乏,制约了NIR-II成像在临床诊断中的广泛应用。Guo等人提出一种新策略,通过甲川桥连接黄烷酮与色烯荧光团,合成新型NIR-II染料flavchromenes。 该策略拓展了光谱范围至NIR-II区,并显著改善了光物理性能。所得杂化染料具有低分子量、高消光系数和优异的化学稳定性。例如,Flavchrom-4可实现体内β-半乳糖苷酶活性的双模态成像,增强NIR-II荧光信号(图10e)。该创新设计可获得低分子量、高稳定性与高亮度的NIR-II荧光团,拓展了组织与动物体内高分辨率成像的工具箱。

黄烷酮与色烯基团的杂化策略催生了新型可激活NIR-II骨架。通过交叉设计,Guo等人将BODIPY与色烯荧光团整合,构建了NIR-II发色团BC-OH,其具有115 nm的大斯托克斯位移、高亮度和强稳定性。 BC-OH结构表现出有限的电子离域与显著的分子内电荷转移,使其在传感过程中产生高达150 nm的光谱分离。值得注意的是,BC-OH合成简便、pKa值适宜,是构建可激活NIR-II探针的理想骨架。基于BC-OH,成功设计并合成了新型可激活探针BC-Cys与BC-H₂O₂,最终实现了对Cys和H₂O₂的高效检测(图10f)。
3.4 缺点与前景

基于氧杂蒽的分子因其卓越的光物理性质,已促使人们合成了多种化合物,从而拓展了其应用范围。通过将分子与氧杂蒽进行杂化,进一步增加了氧杂蒽染料的多样性和潜在应用。因此,许多氧杂蒽荧光团的核心骨架已超越了经典的氧杂蒽结构。在本综述中,我们分析了三种典型的波长红移策略,包括共轭延伸、中心原子取代和D-A-D策略。这些策略的合理组合能够使染料的发射波长进一步红移。此外,本文还概述了构建基于噁唑鎓的NIR-II荧光分子探针的两种主要策略:基于ICT的调制以及利用非荧光螺环体与阳离子状态之间的平衡。

基于螺环/开环转换和ICT的设计策略具有相似的应用范围。然而,前者在分子设计和合成方面通常更具挑战性。此外,关于近红外二区(NIR-II)可激活氧杂蒽探针的报道寥寥无几。因此,开发新型杂化氧杂蒽分子仍有巨大机遇。展望未来,分子设计和合成策略的突破对于开发具有高量子产率和高稳定性且在NIR-II区域发出荧光的全新分子至关重要。应致力于拓展物理化学性质和分子功能的范围,以进一步拓宽其在化学生物学、医学和材料科学等领域的应用。


4 BODIPY

4.1 BODIPY支架的特点及合成前景


硼二吡咯甲烷(BODIPY)染料因其卓越的光学性能而闻名,在化学、生物学和材料科学领域得到广泛应用,尤其是在荧光标记和成像方面。1986年,国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)对BODIPY分子及其衍生物的命名进行了标准化,其中8位为中央碳位点,3位和5位为α位点,1位、2位、6位和7位为β位点(图11a)。BODIPY因其易于调节的结构、优异的生物相容性、稳定性和高荧光量子产率而脱颖而出,成为一种有前景的荧光团支架。从结构上讲,它是通过将二吡咯烷单元与三氟化硼络合,形成具有三个相连环的极其稳定的刚性共轭平面结构而制得的。因此,BODIPY分子的化学结构表现出显著的稳定性,使其能够承受各种化学反应,同时确保光学稳定性和高质量成像。


图11. a) BODIPY核心的结构。b) 合成BODIPY染料的两种常见合成路线。c) 氧杂蒽NIR-II AOSFPs的代表性化学结构。


BODIPY核心可通过多种方法合成。通过酰氯与吡咯的缩合反应,可以相对容易地制备内消旋取代的BODIPY染料(图11b)。该方法具有步骤少这一优点,但产率较低。第二种方法是使用三氟乙酸催化2,2-二甲基吡咯与苯甲醛的缩合反应来合成内消旋取代的BODIPY。该方法常用于在8位引入芳香族官能团。由于存在多个修饰位点,可在不同位置对BODIPY进行替换和修饰,以获得具有不同应用性能的分子,从而满足各种应用的性能要求。BODIPY常用的修饰位点主要位于中间碳位点、2位、6位以及3位和5位。这些活性反应位点为BODIPY的功能化修饰提供了有效途径。例如,通过在meso位点替换氮原子形成氮杂-BODIPY,可实现吸收和发射波长的红移。此外,BODIPY染料的2位和6位是富电子位点,有利于亲电反应(如卤化反应)。在2位和6位引入重原子可促进分子三重态系统的更快形成,使分子更适合作为光敏剂。由于BODIPY染料的3,5位相对缺电子,3,5位取代的甲基易于与苯甲醛衍生物通过Aldol缩合反应,从而扩展共轭结构,形成波长红移的荧光染料。此外,BODIPY荧光团可与其他功能化分子(如肿瘤靶向配体、化疗药物和其他治疗剂)化学共轭,从而实现多种额外的治疗和成像工具。图11c展示了BODIPY NIR-II AOSFPs的几种代表性化学结构。


4.2 基于3/5位取代的BODIPY NIR-II AOSFPs


BODIPY的3/5位点容易改变分子的π共轭结构,并影响染料的吸收光谱和荧光光谱。因此,在该位点引入官能团常用于构建活化荧光探针(图12a)。


图12. a) 基于3/5位取代的BODIPY NIR-II AOSFPs的设计策略。b) 用于检测NAG的BOD-II-NAG的拟议机制。c) BOD-NH-SC的示意图及其与NO和H2S的拟议反应机制。d) WH-X(WH-1、WH-2、WH-3、WH-4)对H2S的设计策略和响应机制。


Gu等人通过自消除连接体引入N-乙酰基-β-D-氨基葡萄糖(NAG)残基对BODIPY进行了修饰。此外,他们还利用乙烯基单元将苯并噻唑与BODIPY核心的3位π共轭进行扩展,制得了探针BOD-II-NAG。该探针具有近红外二区(NIR-II)荧光响应性。BOD-II-NAG在响应NAG时表现出显著的NIR-II荧光信号(图12b)。

Zhao及其合作者合成了水溶性BOD-NH-SC点,以可视化一氧化氮(NO)和硫化氢(H2S)的细胞内动力学。BOD-NH-SC分别在3位或5位被N-甲基-2-甲氧基苯胺分子和4-硝基苯硫酚取代。最初,用NO处理BOD-NH-SC会迅速生成N-亚硝基产物。随后,4-硝基苯硫酚取代的BODIPY与H2S发生亲核取代反应,生成巯基官能化的BODIPY(BOD-NO-SH),其在936 nm处展现出明亮的近红外二区(NIR-II)荧光(图12c)。

Liu及其同事开发了一种调节近红外二区(NIR-II)荧光探针发射波长的多功能方法,合成了四种具有D-π-A分子结构的概念验证探针(WH-1、WH-2、WH-3和WH-4)。将4-硝基苯硫酚引入BODIPY荧光团中,既作为荧光猝灭剂,又作为特异性识别位点。随后,通过乙烯基键将电子受体基团(如磺化苯并吲哚盐和磺化萘内酰胺衍生物)引入BODIPY荧光团中,以延长π共轭体系并提高水溶性,从而合成了探针WH-1和WH-2。为了进一步延长发射波长并优化激活响应和光物理性能,在WH-2的基础上,将给体基团整合到BODIPY基元的邻位,从而开发出WH-3和WH-4。与H2S反应后,WH-X衍生物通过H2S介导的亲核取代反应转化为WH-X-HS衍生物,增强了分子内电荷转移过程(图12d)。光谱分析表明,延长分子π共轭体系并提高给电子能力,使探针的最大发射波长从925 nm红移至1205 nm。这些发现凸显了其设计策略在满足近红外二区可激活荧光探针迫切需求方面的潜力。


4.3 基于J-聚集体的BODIPY NIR-II AOSFPs


J-聚集体是指染料分子的有序聚集。这一现象会导致分子的光物理和/或光化学性质发生变化,包括最大吸收光谱和最大发射光谱的红移、荧光强度的增强以及光稳定性的提高。因此,这赋予了分子更大的生物医学应用潜力。多项研究表明,通过氢键诱导的超分子聚合形成的高荧光J-聚集体可用于可见光和近红外I区(NIR-I)的荧光成像(图13a)。


图13. a) BODIPY NIR-II AOSFPs的设计策略基于J-聚集体。b) PAsp、P-ipr、Gal-BBP的化学结构。c) 聚合物与Gal-BDP的组装及其性能。d) 由初级氮杂-BODIPY纳米粒子在808 nm激光照射下诱导的NIR-II荧光示意图。插图:化合物2纳米粒子在激光照射前(左)和照射后(右)的NIR-II荧光图像。e) 氮杂-BODIPYs 1–3的分子结构。


受此启发,Yan等人构建了一种酸性响应型纳米颗粒(P-ipr@Gal),该颗粒通过激活J-聚集实现近红外二区(NIR-II)荧光成像和治疗(图13b)。半乳糖偶联的BODIPY(Gal-BDP)染料被pH敏感的两亲性多肽(P-ipr)包裹,从而获得P-ipr@Gal纳米颗粒。在肿瘤区域积聚后,酸性微环境(pH 6.4-6.8)会促进P-ipr@Gal纳米颗粒的解聚,释放出足够的Gal-BDP。Gal-BDP染料通过质子化从H-聚集转变为J-聚集,发生分子堆叠转变。J-聚集显著增强了红移吸收和发射强度,从而提高了荧光亮度(图13c)。本研究为构建可激活的J-聚集荧光探针提供了一种新策略。

最近,Yang等人报道了首个无需光反应基团即可通过光促进重组装生成近红外二区(NIR-II)材料的研究实例(图13d)。在水溶液中,两亲性NIR-I氮杂-BODIPYs 1–3(图13e)在表面活性剂吐温80的存在下迅速形成初级纳米颗粒(1-a、2-a和3-a),其荧光可忽略不计。有趣的是,这些初级纳米颗粒在808 nm激光照射下会发生光促进重组装,形成J-聚集体(1-J、2-J和3-J)。值得注意的是,与2-a在810 nm处的吸收相比,2-J在890 nm处的吸收发生红移且增强,同时在1030 nm处的NIR-II荧光也增强。机理研究表明,高光热转换效率会升高温度,从而触发初级纳米颗粒重组装成J-聚集体。这项工作可能激发人们通过光响应形成J-聚集体来进一步探索NIR-II荧光材料,以实现高对比度生物成像。


4.4 基于SHINE的BODIPY NIR-II AOSFPs


荧光团的光学性质与分子的聚集状态密切相关,因此可以通过调节分子的聚集状态来设计“开/关”荧光探针。基于此,Zhang等人报道了一种新的荧光传感策略,该策略利用具有大位阻的分子,通过调节荧光团的分子聚集状态来实现荧光的爆发和激活(图14a,b)。具有聚集诱导发光(AIE)特性的近红外二区(NIR-II)BODIPY染料(ANB)被设计为分子聚集状态报告分子(图14c)。设计了一种位阻猝灭剂(SHQ-6),并将其与ANB共封装以抑制ANB的荧光信号(图14d,e)。基于这种位阻猝灭方法,通过禁用SHQ,即位阻失效诱导发射(SHINE)策略,进一步提出了一种NIR-II可激活的“关-开”传感器。在ClO存在下,对ClO敏感的SHQ-6失去位阻效应,释放出明亮的NIR-II信号。这种SHINE“关-开”策略高度依赖于位点电阻调制的荧光团填充状态,为设计可扩展到其他聚集系统的可激活传感器提供了新选择。


图14. a) BODIPY NIR-II AOSFPs的设计策略基于SHINE。b) SHINE策略的示意图。c) ANB的化学结构。d) 空间位阻猝灭剂SHQ-6的化学结构。e) 通过密度泛函理论(DFT)计算估算ANB和SHQ-6之间的分子堆积状态、分子距离和相互作用能。


4.5 缺点与前景


BODIPY染料具有宽泛的吸收光谱,可以通过结构修饰来适应各种应用并表现出高度的化学和光学稳定性,确保在不同条件下荧光信号的稳定性。同时BODIPY荧光探针具有高荧光量子产率,从而产生明亮的荧光信号,非常适合生物成像。

3/5取代设计策略具有显著的合成难度。另一方面,基于J-聚集体形成和SHINE方法的策略能有效增强光谱性能调控,展现出进一步发展的巨大潜力。通过调节BODIPY的聚集状态实现可激活的近红外二区(NIR-II)荧光成像是一种更为灵活的方法,近年来已成为热门研究课题。然而,与花菁和氧杂蒽染料相比,BODIPY染料以其高疏水性和复杂的合成过程而闻名。其合成过程复杂繁琐,产率低,纯化过程具有挑战性。此外,其高疏水性导致水溶性有限,限制了其在生物学中的应用。综上所述,尽管BODIPY荧光探针在众多领域具有广泛应用,但仍有潜力通过改进来提高其性能、成本效益和适用性。这些改进将进一步推动其在科学研究和应用中的发展。


参考文献

Chen, Zikang, et al. "Activatable molecular probes with clinical promise for NIR‐II fluorescent imaging." Small 21.6 (2025): 2411787.


原文链接

https://doi.org/10.1002/smll.202411787


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