近红外BODIPY荧光纳米粒子的合成、光谱特性研究及生物成像应用

本研究针对近红外荧光探针在生物成像中的应用瓶颈，通过系统设计NIR-BODIPYs1–3分子结构并构建Pluronic? F127纳米载体，解决了传统染料水溶性差、组织穿透深度不足等关键问题。研究人员采用DFT计算与实验验证相结合的策略，阐明了分子构型-光谱性能关系，成功开发出具有优异光学特性的NIR-BODIPYs1–3@Pl纳米粒子，为活体深层组织成像提供了新型工具。

　　

在生物医学成像领域，如何实现深层组织的高分辨率可视化始终是重大挑战。传统荧光探针普遍存在组织穿透能力弱、背景干扰强等缺陷，而近红外（NIR）区间的光学成像因其较低的组织散射和自发荧光优势备受期待。然而，设计兼具优异光学性能和水溶性的NIR荧光分子仍面临分子工程与纳米载体技术的双重瓶颈。

俄罗斯科学基金会资助的研究团队在《Journal of Molecular Liquids》发表的研究中，创新性地将BODIPY（氟硼二吡咯）染料化学修饰与纳米载体技术相结合。通过系统研究三种NIR-BODIPYs1–3的分子结构特征，发现苯乙烯基团的平面排列可最大化π电子共轭，从而显著增强近红外吸收强度。更巧妙的是，研究人员采用两亲性嵌段共聚物Pluronic? F127构建纳米胶束，成功将疏水性BODIPYs转化为水分散性纳米粒子，突破生物应用的关键障碍。

关键技术包括：1）密度泛函理论（DFT）计算预测分子构型与电子特性；2）¹H核磁共振（500 MHz）验证分子结构；3）Pluronic? F127纳米载体构建与表征；4）紫外-可见吸收光谱与荧光光谱分析溶剂效应。

【材料与表征】
研究采用500 MHz Bruker核磁共振仪解析BODIPYs结构，证实氘代氯仿中分子构型的稳定性。关键发现是苯基相对于BODIPY核心的正交取向，这种空间排列通过DFT计算得到验证。

【NIR-BODIPYs1–3的结构特征】
DFT计算揭示BODIPY2的苯乙烯基团呈现完全平面构型，与BODIPY核心形成最大π轨道重叠。这种独特的分子构型使其在近红外区（700-900 nm）产生强吸收带，摩尔消光系数达10⁵ M^-1cm^-1量级。

【结论】
该研究实现三大突破：1）阐明分子取代基类型对光谱范围的调控规律；2）开发负载量优化的NIR-BODIPYs1–3@Pl纳米体系；3）证实纳米粒子在磷酸盐缓冲液（PBS）中的稳定性。特别值得注意的是，BODIPY3在极性溶剂中表现出罕见的荧光增强效应，这为设计环境响应型探针提供了新思路。

讨论部分强调，该工作不仅建立分子结构-性能关系的理论模型，更通过巧妙的纳米载体设计解决实际应用难题。Lubov A. Antina团队开发的纳米探针在肿瘤深层成像、血管可视化等领域展现出重要应用潜力，相关技术已申请俄罗斯科学基金会（24-73-00006）和俄罗斯教育部（122040500040-6）的联合专利保护。圣彼得堡国立大学的Elena V. Solovyeva进一步指出，这种模块化设计策略可拓展至其他荧光染料体系，为多功能分子影像探针开发提供普适性方案。