近红外II区大斯托克斯位移荧光染料的分子设计与生物成像应用

本文针对近红外II区(NIR-II)荧光成像中染料斯托克斯位移小、成像质量受限的问题，通过设计不对称供体-受体结构的氰胺类荧光染料(VIPIs)，实现了167-260 nm的大斯托克斯位移。研究结合瞬态吸收光谱和TD-DFT计算揭示了激发态局域化与电荷转移的协同机制，并成功应用于小鼠多色成像和膝关节精细结构可视化。该工作为NIR-II荧光探针设计提供了新思路，发表于《Nature Communications》。

　　

荧光生物成像技术因其高分辨率和低侵入性成为生命科学研究的重要工具，其中近红外II区(NIR-II, 900-1700 nm)成像凭借更深的组织穿透力和更高对比度备受关注。然而，传统氰胺类染料存在斯托克斯位移小（约50 nm）、激发光散射干扰严重等瓶颈，制约了成像质量提升。如何通过分子设计突破这一限制，成为当前领域的关键挑战。

中国科学院过程工程研究所的研究团队创新性地将p-氨基苯乙烯基团引入不对称半氰胺骨架，开发出具有超大斯托克斯位移（167-260 nm）的VIPIs系列荧光染料。通过瞬态吸收光谱和TD-DFT理论计算，首次阐明其激发态局域化(LE)与分子内电荷转移(ICT)的协同机制：激发过程主要发生在氰胺部分（HOMO-1→LUMO），而发射过程则涉及氰胺向苯乙烯基团的电荷转移（LUMO→HOMO）。这种"激发-发射分离调控"策略使染料在保持NIR-II吸收的同时，实现发射波长红移。相关成果发表于《Nature Communications》。

研究采用密度泛函理论计算、飞秒瞬态吸收光谱、小鼠活体成像等关键技术。通过构建含不同电子给体（N,N-二甲基苯乙烯基、久洛里定苯乙烯基等）和受体（苯并吲哚鎓等）的分子库，系统考察溶剂效应与光谱特性关系。

【设计与合成】
通过Heck反应和Knoevenagel缩合构建VIPIs分子骨架，其中VIPI-2在氯仿中展现260 nm的破纪录斯托克斯位移（吸收735 nm/发射995 nm）。对比实验显示，苯乙烯基团主导发射红移，而氰胺部分调控吸收波长。

【光物理机制】
TD-DFT计算揭示VIPI-2的激发过程含56.4% HOMO-1→LUMO（LE特征）和35.7% HOMO→LUMO（ICT特征），而发射过程以59.4% LUMO→HOMO（强ICT）为主。飞秒光谱证实低极性溶剂中LE态主导，而DMSO中观测到ICT态特征信号反转现象。

【生物应用】

1. 多色成像：VIPI-1（730 nm激发）与VIPI-4（808 nm激发）联用实现小鼠胃、肠、血管同步可视化；
2. 代谢追踪：PEG化VIPI-2-COOH半衰期延长至42.7小时，兼具肝胆（83%）和肾脏（17%）双排泄途径；
3. 骨骼成像：14 nm粒径的VIPI-4脂质体在1300 nm通道清晰显示小鼠膝关节结构，信背比达1.8，较ICG提升20%。

该研究开创了通过调控LE/ICT贡献比设计大斯托克斯位移染料的普适性策略，解决了NIR-II成像中激发光干扰的痛点问题。VIPI-4脂质体对骨髓的靶向性（可能通过巨噬细胞转运）为骨疾病诊疗提供了新工具。分子轨道工程与光物理机制的深入阐释，为后续开发新型功能荧光探针奠定了理论基础。