锗基长共轭氧杂蒽荧光探针在近红外二区最佳子窗口的生物成像应用

（编辑推荐）本研究创新性开发了锗(Ge)修饰的长共轭氧杂蒽荧光染料EGe5，通过晶体结构解析证实其平面化五元环核心与垂直甲基的空间位阻效应，实现了NIR-IIx窗口（1400-1500 nm）3.3%的量子产率与超高亮度。该探针在氧化/还原环境中保持12小时荧光稳定，兼具60分钟长效循环特性，成功应用于肠道梗阻血管示踪与肾积水动态监测，为胃肠/泌尿系统疾病的无创诊断提供了分子设计范式。

　　

1 引言

近红外二区（NIR-II，900-1880 nm）成像是突破生物组织散射限制的前沿技术，其中NIR-IIx子窗口（1400-1500 nm）因水分子吸收峰位于1450 nm而具有独特优势。然而，现有无机量子点存在生物相容性问题，而有机小分子染料在NIR-IIx窗口的亮度与稳定性不足。本研究通过锗原子重原子效应、延长π共轭和增强给电子能力三重策略，设计出兼具高量子产率（DMSO中10.5%）和化学稳定性的EGe5染料，首次实现有机小分子染料的活体NIR-IIx成像。

2 结果与讨论

2.1 EGe5染料的制备与表征

单晶X射线衍射显示EGe5-Cl分子中锗-碳键长1.93 ?，中心六元环夹角127.11°，垂直排列的甲基（二面角87.17°）有效屏蔽亲核攻击。密度泛函理论计算揭示其窄带隙（1.9 eV）特性，HOMO分布在联苯骨架而LUMO定域在苯环。在胎牛血清（FBS）中，EGe5展现888 nm吸收峰（ε=1.56×10⁵ M^-1cm^-1）和924 nm发射峰，NIR-IIx亮度是临床试剂ICG的4.4倍。8 mm厚脂质体穿透实验证实其深层成像潜力。

2.2 NIR-IIx成像性能

蒙特卡洛模拟显示NIR-IIx窗口信背比（SBR=7.7）显著优于NIR-IIa/b窗口。活体血管成像中，NIR-IIx分辨率达0.18 mm（FWHM），快速傅里叶变换分析证实高频信号强度与组织吸收特性正相关。

2.3 代谢与生物安全性

EGe5在血液中的半衰期超40分钟，7天内通过肝胆系统完全清除。血清学与组织病理学分析显示无肝肾毒性，符合临床转化要求。

3 疾病诊断应用

3.1 肠道梗阻血管示踪

硅胶环诱导的小鼠肠梗阻模型中，NIR-IIx成像清晰捕捉到病理性肠壁血管（宽度0.42 mm vs 健康组0 mm）。动态成像中肠壁血管随蠕动位移（移动距离1.2 mm）的特征，可与静态腹壁血管（位移0.3 mm）明确区分。

3.2 泌尿系统梗阻诊断

通过点击化学将PEG₄₅与EGe5-Cl缀合，获得肾清除型探针EGe5-PEG₄₅（GPC测得Mn=3582，PDI=1.15）。单侧输尿管结扎模型显示，梗阻侧肾脏SBR值（1.57）较健侧（3.03）下降48%，实时反映肾灌注功能障碍。

4 结论

该工作通过锗原子介导的分子工程，创造了首个适用于NIR-IIx窗口的有机小分子荧光探针，其晶体结构解析为后续分子设计提供模板。在肠梗阻血管动力学监测和泌尿梗阻功能评估中的成功应用，证实了该技术向临床转化的潜力。