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生物醫(yī)學(xué)成像是研究生命內(nèi)部結(jié)構(gòu)和疾病診斷的重要可視化手段。目前，近紅外熒光成像廣泛用于臨床前體內(nèi)成像研究，而短波紅外（SWIR，1000-1700 nm）窗口具有更高的組織穿透性和分辨率，彰顯了巨大的臨床應(yīng)用潛力。許多SWIR發(fā)射的染料被開發(fā)應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域，包括美國FDA批準(zhǔn)的吲哚菁綠和相關(guān)的有機(jī)染料，以及量子點、碳納米管和稀土摻雜納米顆粒等。其中，PbS量子點的發(fā)射峰值超過1400 nm，但是潛在的生物毒性限制其進(jìn)一步的體內(nèi)成像應(yīng)用。然而，目前關(guān)于有機(jī)分子實現(xiàn)1400 nm發(fā)射的研究卻鮮有報道。雖然有機(jī)熒光團(tuán)種類繁多、生物相容性好且光學(xué)性能可調(diào)，但是所報道的有機(jī)分子的吸收和發(fā)射大多位于近紅外區(qū)域（700-1000 nm）。最近，研究者利用氧雜蒽類型的分子如熒光素和羅丹明與吲哚雜環(huán)結(jié)構(gòu)結(jié)合以取代烷基胺供體的方法，所合成分子的最大吸收峰紅移至SWIR區(qū)域（1092 nm）。此外，通過將氧雜蒽結(jié)構(gòu)中的氧替換為硅原子也可實現(xiàn)分子的發(fā)射峰紅移（Fig.1）。本文中，作者將硅基取代的氧雜蒽內(nèi)核和DMA修飾的indolizine給體結(jié)合，所合成染料的吸收發(fā)射波長發(fā)生明顯紅移。相較于現(xiàn)有報道的染料，利用該方法制備的小分子熒光團(tuán)的發(fā)射波長紅移至1700-2700 nm的范圍內(nèi)（Fig. 1）。下載化學(xué)加APP到你手機(jī)，收獲更多商業(yè)合作機(jī)會。

Fig. 1 氧雜蒽和硅取代氧雜蒽染料的發(fā)射峰值

（圖片來源：Nat. Chem.）

SiRos熒光團(tuán)的合成路線如Fig.2所示。醇1按照先前報道由2-溴-4-氯-1-碘苯和2-溴-4-氯苯甲醛合成；隨后將1用BF₃/SiEt₃H脫氧，得到二芳基甲烷2，收率99%。當(dāng)與二氯雙(2-乙基已基)硅烷反應(yīng)時，用2進(jìn)行雙溴-鋰交換，形成環(huán)化硅烷中間體。該粗中間體用KMnO₄氧化，得到酮產(chǎn)物3，總產(chǎn)率為37%。2-乙基己基取代基的引入可以1）降低合成難度以“輕松”地在骨架上修飾增溶基團(tuán)；2）增加分子的“位阻”以減少聚集淬滅；3）減緩親核基團(tuán)的進(jìn)攻。使用芳基氯3和鈀催化劑對中氮茚供體基團(tuán)4-6進(jìn)行C-H活化，生成硅取代的蒽酮7-9，產(chǎn)率46-88%。最終可通過一鍋法合成得到染料SiRos1300, SiRos1550和SiRos1700。

（圖片來源：Nat. Chem.）

光學(xué)性質(zhì)表征數(shù)據(jù)說明SiRos1300，SiRos1550和SiRos1700在二氯甲烷溶液中的吸收峰最大值分別位于1140 nm、1348 nm和1440 nm處（Fig. 3）。將氧雜蒽結(jié)構(gòu)中的氧替換為硅原子后，SiRos1300吸收波長相較于^tolRosIndz的波長紅移了210 nm。此外，SiRos1300，SiRos1550和SiRos1700在二氯甲烷溶液中的摩爾消光系數(shù)分別是122000 M^-1 cm^-1, 115000 M^-1 cm^-1和98000 M^-1 cm^-1。當(dāng)溶劑為乙腈時，三種染料的摩爾消光系數(shù)降低了一半。隨著溶劑極性的增加，分子中伴隨著π → π* 到 n → π*的電荷轉(zhuǎn)移過程。同時，SiRos1300，SiRos1550和SiRos1700在二氯甲烷溶液中的發(fā)射峰值分別位于1300 nm，1557 nm和1700 nm處，熒光量子產(chǎn)率分別為0.0056 ± 0.0007%，0.0025 ± 0.0003%和0.0011 ± 0.0003%。SiRos1300的壽命為20 ps，SiRos1700的壽命最長為47 ps，也可反映出是由非輻射躍遷過程衰減速率的增加導(dǎo)致。

（圖片來源：Nat. Chem.）

接下來，作者對SiRos1300，SiRos1550和SiRos1700進(jìn)行了時間相關(guān)密度泛函理論計算（Fig.4），染料的吸收峰值的大小趨勢與實驗數(shù)據(jù)相符（SiRos1300 < SiRos1550 < SiRos1700）。HOMO軌道中的電子云主要分布在吲哚和DMA給體，LUMO軌道顯示電子云主要分布在發(fā)色團(tuán)部分，由此可觀察到分子的電荷轉(zhuǎn)移性質(zhì)。此外，SiRos1550和SiRos1700具有更高的能級躍遷（>0.1）：SiRos1300（675 nm），SiRos1550（917 nm）和SiRos1700（648 nm），與實驗結(jié)果相符。此外，作者還研究了乙腈溶液中SiRos1300對親核試劑的穩(wěn)定性。實驗數(shù)據(jù)說明SiRos1300在水系環(huán)境中是穩(wěn)定的，不易受親核試劑的進(jìn)攻。

Fig.4 SiRos熒光團(tuán)的前線分子軌道分析

（圖片來源：Nat. Chem.）

最后，作者采用菜籽油和表面活性劑Pluronic F-68制備了染料的納米制劑（Fig.5a）。納米制劑的動態(tài)光散射數(shù)據(jù)說明SiRos1300和SiRos1550的水合粒徑分別為260 nm和194 nm，多分散性指數(shù)分別為0.44和0.27。同時，SiRos1300和SiRos1550納米制劑的吸收光譜與其在有機(jī)溶劑中的光譜行為類似。在相同成像條件下，SiRos1300納米制劑的亮度是SiRos1550的兩倍（Fig.5b）。SiRos1300和SiRos1550納米制劑在SWIR成像中都表現(xiàn)出高分辨率（Fig.5c，d）。在對小鼠進(jìn)行尾靜脈注射后，小鼠腹部、頸靜脈和股動脈中的血管清晰可見?；谝陨蟽?yōu)勢，SiRos1300，SiRos1550和SiRos1700有望實現(xiàn)1）1400-1600 nm區(qū)域內(nèi)的高對比度成像；2）更高的穿透深度和3）復(fù)合成像。此外，SiRos熒光團(tuán)的SWIR性質(zhì)有利于其實現(xiàn)多通道激發(fā)和采集的多色生物成像。

（圖片來源：Nat. Chem.）